光明圖片/視覺中國

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【環(huán)球科技】  

氣候變化和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)代人類面臨的最重大課題之一。人類生產(chǎn)的許多產(chǎn)品都含有一些可重復(fù)利用卻未被回收的成分，這既污染了環(huán)境，又浪費(fèi)了寶貴資源。改變傳統(tǒng)的“生產(chǎn)、使用、丟棄”的線性模式，代之以“回收、循環(huán)、再利用”的新模式是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)。

當(dāng)前，世界各國的科學(xué)家都在積極推動(dòng)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展。作為美國能源部下轄的實(shí)驗(yàn)室，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory，ANL）近年來不斷在可持續(xù)發(fā)展和清潔能源領(lǐng)域加大投入，開展了一系列值得關(guān)注的探索性研究。

1.城市就地挖礦

使用過的鋰電池已經(jīng)成為一大環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球每年廢棄的鋰電池?cái)?shù)量超過50萬噸，到2030年全球每年將產(chǎn)生200萬噸的鋰電池廢料，這一數(shù)字到2040年或?qū)⑦_(dá)800萬噸。雖然全球目前已成立多家鋰電池回收企業(yè)，以回收電池中的關(guān)鍵材料（如鋰、鈷、鎳等金屬元素和石墨等），但這些企業(yè)卻很難獲得利潤。隨著鈷等貴金屬用量的逐步減少，回收行業(yè)的利潤也將難以為繼。

美國能源部于2019年投資1500萬美元（3年期）、聯(lián)合阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室以及伍斯特理工學(xué)院、加州大學(xué)圣迭戈分校和密歇根理工大學(xué)，共同組建了Recell中心，該中心由阿貢實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)。作為美國第一家致力于研發(fā)鋰電池回收利用的中心，其目標(biāo)是通過開發(fā)新工藝和新手段，降低鋰電池回收的成本（將電池回收成本降低至每千瓦時(shí)80美元），使這一行業(yè)變得有利可圖，并減少對外國礦物資源的依賴。該中心的研究聚焦于四大主題：

設(shè)計(jì)可循環(huán)利用的材料。即從設(shè)計(jì)伊始就將電池材料的可循環(huán)利用性考慮在內(nèi)。目前阿貢正在考慮的一個(gè)選項(xiàng)是棱柱形的軟包電池，這種電池使用壽命到期后經(jīng)過特殊的“沖洗”工藝將無用的廢物清理掉，再填充進(jìn)電解液后，就可作為新電池重新使用，這樣一來，電池的壽命將大大超過目前的10年；

直接對電池陰極進(jìn)行回收。陰極材料是鋰電池中最寶貴的部分，含有包括鋰在內(nèi)的多種重要元素，是大多數(shù)回收努力的目標(biāo)。陰極的晶體結(jié)構(gòu)也有相當(dāng)價(jià)值，因此陰極直接回收是指保留它的結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，電池的總體成本可降低5%到30%。目前阿貢的研究人員已測試了至少9種方法，包括從降解的陰極材料中完全回收鋰；

回收其他電池材料。除陰極外的其他材料，如電解液、陽極材料等。目前，Recell中心的合作伙伴之一——橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)能夠成功回收鋰電池?fù)v碎后留下的“黑色物質(zhì)”（black mass）——陽極和陰極粉末的混合物；

建模和分析。僅僅在實(shí)驗(yàn)室取得良好結(jié)果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。建模和分析工作旨在篩選成功的實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，決定其是否適合工業(yè)放大以便商業(yè)化。 

阿貢實(shí)驗(yàn)室循環(huán)經(jīng)濟(jì)計(jì)劃負(fù)責(zé)人兼化學(xué)與工程部主任辛西婭·詹克斯（Cynthia Jenks）將上述這些工作稱為“城市挖礦”——從城市的垃圾填埋場或回收中心就可以獲取某些珍貴的材料，減少了從外國的進(jìn)口，還可以改善國家能源安全。

2.重新思考塑料

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球每年生產(chǎn)大約4億噸塑料，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到18億噸。僅美國2018年就生產(chǎn)了大約3500萬噸塑料，而其回收利用率不足9%，

即使部分廢棄塑料得到了回收利用，但最終加工出的產(chǎn)品往往比原先產(chǎn)品的品質(zhì)和價(jià)值要低。為此，阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員正與其他機(jī)構(gòu)合作，通過多種途徑來提高塑料的可循環(huán)性。

一是研發(fā)新催化劑降低塑料降解的勢能和門檻。聚乙烯（塑料袋的主要成分）等之所以難以降解，是因?yàn)樘?碳鍵非常牢固，要打破它通常需要耗費(fèi)大量的能量。美國阿貢實(shí)驗(yàn)室與埃姆斯實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)、康奈爾大學(xué)、南卡羅來納大學(xué)以及加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家合作，設(shè)計(jì)出了一種新型催化劑——將只有兩個(gè)納米大小的金屬鉑粒子置于100納米大小的鈣鈦礦（perovskite，在催化反應(yīng)所要求的溫度和壓力下非常穩(wěn)定）之上，工藝采用了由阿貢和西北大學(xué)共同開發(fā)的“原子層沉積法”（atomic layer deposition approach）。結(jié)果表明，在無需很高的溫度和壓力下，運(yùn)用此催化劑就可以將純聚乙烯或商用塑料袋轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量液態(tài)產(chǎn)品。

二是從源頭開始設(shè)計(jì)可重復(fù)使用的塑料材料。塑料在最初被發(fā)明時(shí)并沒有考慮它的可降解性。按照芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院教授、同時(shí)供職于阿貢實(shí)驗(yàn)室的斯圖瓦特·羅文（Stuart Rowan）的說法，“人們之前從不考慮塑料用完后怎么辦，因?yàn)槿藗兛偸强梢陨a(chǎn)更多”。從工業(yè)角度看，如果在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到它未來的可降解性，可能會(huì)起到事半功倍的效果，而以植物為原料制造塑料是努力方向之一。目前，羅文及其團(tuán)隊(duì)就正在探索利用植物纖維素制造生物塑料。構(gòu)成植物細(xì)胞壁的纖維素是一種天然的聚合物，但目前已上市的一些植物纖維素塑料在強(qiáng)度和耐久性上還不能與傳統(tǒng)塑料相比。為解決這一問題，羅文團(tuán)隊(duì)正在從一種叫“奇崗”（Miscanthusgiganteus）的多年生草本植物中提取纖維素納米材料，他們開發(fā)的提取工藝已達(dá)工業(yè)級。目前，該團(tuán)隊(duì)正在對工藝進(jìn)行改進(jìn)，以提高生物塑料對溫度的耐受性和阻隔性，以便更好地用于包裝等行業(yè)。

對于塑料廢棄物的另一大來源——消費(fèi)類電子產(chǎn)品（如智能手機(jī)、筆記本電腦、電視機(jī)、視頻游戲控制臺(tái)以及所有配件等），羅文和芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院教授以及阿貢實(shí)驗(yàn)室的水資源專家陳俊宏（Junhong Chen，音譯），也正在探索如何從源頭上設(shè)計(jì)這類電子產(chǎn)品。

2020年，羅文、陳俊宏和來自芝加哥大學(xué)、西北大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)厄巴納——香檳分校（UIUC）、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的多位研究同事從美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）申請到了一筆915萬美元的研究基金，力爭在5年內(nèi)開發(fā)出一套能生產(chǎn)生物可降解電子設(shè)備的3D打印系統(tǒng)。該系統(tǒng)同樣使用從植物中提取的纖維素納米材料作為“墨水”，并且可根據(jù)電子設(shè)備的不同用途被設(shè)計(jì)成具有不同的金屬、超導(dǎo)或絕緣特性。目前，羅文正與UIUC的植物學(xué)家探討不同的生長條件如何影響纖維素納米材料的產(chǎn)量和類型以及其功能特性。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用植物材料3D打印出簡單的電子傳感器，反過來用以監(jiān)測植物生長的溫度、光照、濕度等，這樣的反饋回路有助于進(jìn)一步改善整個(gè)工藝，最終制造出更先進(jìn)復(fù)雜的設(shè)備和電池。陳俊宏說，希望這樣的系統(tǒng)和平臺(tái)能夠鼓勵(lì)更多的生物制造，從而最大限度地減少對環(huán)境的負(fù)面影響。羅文則說，他毫不懷疑這項(xiàng)技術(shù)的潛力，隨著更具功能性且可持續(xù)的材料被發(fā)掘出來，避免塑料廢棄物大量產(chǎn)生和建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)前景可期。

此外，該團(tuán)隊(duì)還在與芝加哥大學(xué)和阿貢實(shí)驗(yàn)室的其他材料科學(xué)家合作，運(yùn)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)手段尋找或設(shè)計(jì)下一代可循環(huán)利用或更容易生物降解的塑料。

3.管理二氧化碳

不管是開發(fā)新塑料還是量子材料，循環(huán)經(jīng)濟(jì)的主要目標(biāo)實(shí)質(zhì)上都是找到可逆地使用碳的方法，即讓碳在不同產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

阿貢實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家格魯薩克（Ksenija Glusac）及其團(tuán)隊(duì)就在探索用制造過程中直接捕獲的二氧化碳生產(chǎn)其他化學(xué)品，也就是說，二氧化碳被封閉在幾乎無限循環(huán)的生產(chǎn)過程中，避免被釋放到大氣中。目前，該團(tuán)隊(duì)正在試驗(yàn)用工業(yè)生產(chǎn)中釋放出的二氧化碳制造甲醇（但也在考慮制造其他化合物）。甲醇有多種用途，可用于制造其他許多化學(xué)品，也可將其注入燃料電池中發(fā)電。

除了捕獲工業(yè)過程排放的二氧化碳外，格魯薩克和同事的長遠(yuǎn)目標(biāo)是直接從空氣中捕獲。后者目前面臨的主要障礙是如何在做到捕獲二氧化碳的同時(shí)避免將其他重要成分如氧氣也摻雜進(jìn)來。格魯薩克承認(rèn)，這要花數(shù)年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

在另一項(xiàng)行動(dòng)中，阿貢與北伊利諾伊大學(xué)合作開發(fā)出一種較廉價(jià)的將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為乙醇的方法。通常情況下二氧化碳十分穩(wěn)定，將其轉(zhuǎn)化成其他分子需要耗費(fèi)大量能量，轉(zhuǎn)化過程十分昂貴。但阿貢科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的新型電催化劑大大降低了二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為乙醇過程中的能量門檻，并對最終產(chǎn)品有高度的選擇性（超90%）且成本較低，被認(rèn)為是該實(shí)驗(yàn)室2020年最重要的8項(xiàng)科學(xué)突破之一。目前，該實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在探討將該催化過程與可再生能源電網(wǎng)相結(jié)合，使用非用電高峰時(shí)段由風(fēng)能或太陽能的發(fā)電進(jìn)行催化，以達(dá)到進(jìn)一步降低溫室氣體排放的目的。由于該催化過程在低溫和低壓下即可進(jìn)行，可以迅速啟動(dòng)和暫停，因此對于可再生能源發(fā)電的間歇性完全可以應(yīng)付自如。該項(xiàng)研究利用了阿貢實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)光子源”和“納米材料中心”（CNM）兩個(gè)大型設(shè)施。

阿貢實(shí)驗(yàn)室的這些循環(huán)經(jīng)濟(jì)新思路和新做法有很多仍處于早期階段，有些還剛剛成型，成熟些的也只是過去幾年才投入使用。但阿貢實(shí)驗(yàn)室的這些探索性研究無疑為人們提供了新的思路。同時(shí)，這些研究具有潛在的雙重價(jià)值——既有利于保護(hù)環(huán)境，也有利于提升能源和供應(yīng)鏈安全。

（作者：谷峻戰(zhàn)，系中國科學(xué)技術(shù)信息研究所副研究員）