科学家展示利用镁在常温常压下使二氧化碳与水反应 形成甲烷/甲醇的方法

据外媒报道，过多的二氧化碳排放是导致气候变化的主要原因，因此降低地球大气中的二氧化碳含量是限制不利环境影响的关键。研究人员认为，与其仅仅捕捉和储存二氧化碳，不如将其作为燃料生产的碳原料，以实现“净零排放能源系统”的目标。在环境条件下，仅仅利用水作为氢源，将二氧化碳（来自燃料气或直接来自空气）捕获并转化为甲烷和甲醇，将为降低过高的二氧化碳含量提供一个最佳解决方案，而且具有很强的可持续性。

孟买塔塔基础研究所(TIFR)的研究人员展示了利用镁在常温常压下直接使二氧化碳与水反应，形成甲烷、甲醇和甲酸的方法，而不需要外部能源。镁是地壳中第八大丰富元素，也是地球上第四大常见元素（仅次于铁、氧、硅）。

在300开氏度（26.85摄氏度）和1 bar的条件下，二氧化碳的转化在几分钟内进行。镁、碱式碳酸镁、二氧化碳和水的独特合作作用使这一转化过程得以实现。如果缺少这四种成分中的任何一种，就不会发生二氧化碳的转化。通过13 CO 2同位素标记、粉末X射线衍射法(PXRD)、核磁共振(NMR)和傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)鉴定了反应中间体和反应途径，并通过密度泛函理论(DFT)计算进行了合理化分析。在二氧化碳转化过程中，镁被转化为氢氧化镁和碳酸镁，可进行再生。

镁是生产能量需求最低的金属之一，在生产过程中产生的二氧化碳量最少。利用该方案，1千克镁通过与水和二氧化碳的简单反应，可产生2.43升甲烷、940升氢气和3.85千克碱性碳酸镁（用于绿色水泥、制药工业等），还可产生少量甲醇、甲酸。

在没有二氧化碳的情况下，镁与水的反应效率不高，氢气产量极低，为100μmol g-1，而在二氧化碳存在的情况下为42000μmol g-1。这是由于镁与水反应形成的氢氧化镁溶解度差，限制了镁内部表面与水进一步反应。然而，在二氧化碳的存在下，氢氧化镁得到转化为碳酸盐和碱性碳酸盐，比氢氧化镁更易溶于水，并从镁中剥离出来，使新的镁表面与水反应。因此，这个方法甚至可以用来生产氢气（每千克镁生产940升），这比单纯的镁与水反应产生的氢气（每千克镁生产2.24升）多出近420倍。

值得注意的是，这整个生产过程只需15分钟，在室温和常压下，在异常简单和安全的协议中发生。与其他金属粉末不同的是，镁粉末非常稳定（由于存在薄薄的氧化镁钝化表面层），可以在空气中处理而不损失任何活性。化石燃料的使用需要被限制（如果不能避免），以应对气候变化。这个镁协议就会成为可持续的二氧化碳转换协议之一，用于生产各种化学品和燃料（甲烷、甲醇、甲酸和氢气）的二氧化碳中性过程。

火星的环境中有95.32%的二氧化碳，而火星表面的水是以冰的形式存在的。最近，还报道了火星上存在大量的镁。因此，为了探索这种镁辅助二氧化碳转化过程在火星上使用的可能性，研究人员在较低温度下进行了这种镁辅助二氧化碳转化。值得注意的是，甲烷、甲醇、甲酸和氢气的生成量都很合理。这些结果表明，这种镁工艺有可能在火星环境中使用，这是火星上镁利用的一步，不过还需要更详细的研究。