为循环经济寻找新技术

    【环球科技】  

    气候变化和可持续发展是当代人类面临的最重大课题之一。人类生产的许多产品都含有一些可重复利用却未被回收的成分，这既污染了环境，又浪费了宝贵资源。改变传统的“生产、使用、丢弃”的线性模式，代之以“回收、循环、再利用”的新模式是循环经济的本质。

    当前，世界各国的科学家都在积极推动与循环经济相关的技术发展。作为美国能源部下辖的实验室，阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，ANL）近年来不断在可持续发展和清洁能源领域加大投入，开展了一系列值得关注的探索性研究。

1.城市就地挖矿

    使用过的锂电池已经成为一大环境问题。据统计，目前全球每年废弃的锂电池数量超过50万吨，到2030年全球每年将产生200万吨的锂电池废料，这一数字到2040年或将达800万吨。虽然全球目前已成立多家锂电池回收企业，以回收电池中的关键材料（如锂、钴、镍等金属元素和石墨等），但这些企业却很难获得利润。随着钴等贵金属用量的逐步减少，回收行业的利润也将难以为继。

    美国能源部于2019年投资1500万美元（3年期）、联合阿贡国家实验室、国家可再生能源实验室、橡树岭国家实验室以及伍斯特理工学院、加州大学圣迭戈分校和密歇根理工大学，共同组建了Recell中心，该中心由阿贡实验室领导。作为美国第一家致力于研发锂电池回收利用的中心，其目标是通过开发新工艺和新手段，降低锂电池回收的成本（将电池回收成本降低至每千瓦时80美元），使这一行业变得有利可图，并减少对外国矿物资源的依赖。该中心的研究聚焦于四大主题：

    设计可循环利用的材料。即从设计伊始就将电池材料的可循环利用性考虑在内。目前阿贡正在考虑的一个选项是棱柱形的软包电池，这种电池使用寿命到期后经过特殊的“冲洗”工艺将无用的废物清理掉，再填充进电解液后，就可作为新电池重新使用，这样一来，电池的寿命将大大超过目前的10年；

    直接对电池阴极进行回收。阴极材料是锂电池中最宝贵的部分，含有包括锂在内的多种重要元素，是大多数回收努力的目标。阴极的晶体结构也有相当价值，因此阴极直接回收是指保留它的结构。据统计，如果能实现这一点，电池的总体成本可降低5%到30%。目前阿贡的研究人员已测试了至少9种方法，包括从降解的阴极材料中完全回收锂；

    回收其他电池材料。除阴极外的其他材料，如电解液、阳极材料等。目前，Recell中心的合作伙伴之一——橡树岭国家实验室的研究人员已经能够成功回收锂电池捣碎后留下的“黑色物质”（black mass）——阳极和阴极粉末的混合物；

    建模和分析。仅仅在实验室取得良好结果还远远不够。建模和分析工作旨在筛选成功的实验室项目，决定其是否适合工业放大以便商业化。 

    阿贡实验室循环经济计划负责人兼化学与工程部主任辛西娅·詹克斯（Cynthia Jenks）将上述这些工作称为“城市挖矿”——从城市的垃圾填埋场或回收中心就可以获取某些珍贵的材料，减少了从外国的进口，还可以改善国家能源安全。

2.重新思考塑料

    据统计，目前全球每年生产大约4亿吨塑料，预计到2050年将达到18亿吨。仅美国2018年就生产了大约3500万吨塑料，而其回收利用率不足9%，

    即使部分废弃塑料得到了回收利用，但最终加工出的产品往往比原先产品的品质和价值要低。为此，阿贡实验室的研究人员正与其他机构合作，通过多种途径来提高塑料的可循环性。

    一是研发新催化剂降低塑料降解的势能和门槛。聚乙烯（塑料袋的主要成分）等之所以难以降解，是因为碳-碳键非常牢固，要打破它通常需要耗费大量的能量。美国阿贡实验室与埃姆斯实验室、西北大学、康奈尔大学、南卡罗来纳大学以及加州大学圣巴巴拉分校的科学家合作，设计出了一种新型催化剂——将只有两个纳米大小的金属铂粒子置于100纳米大小的钙钛矿（perovskite，在催化反应所要求的温度和压力下非常稳定）之上，工艺采用了由阿贡和西北大学共同开发的“原子层沉积法”（atomic layer deposition approach）。结果表明，在无需很高的温度和压力下，运用此催化剂就可以将纯聚乙烯或商用塑料袋转化为高质量液态产品。

    二是从源头开始设计可重复使用的塑料材料。塑料在最初被发明时并没有考虑它的可降解性。按照芝加哥大学分子工程学院教授、同时供职于阿贡实验室的斯图瓦特·罗文（Stuart Rowan）的说法，“人们之前从不考虑塑料用完后怎么办，因为人们总是可以生产更多”。从工业角度看，如果在设计时就考虑到它未来的可降解性，可能会起到事半功倍的效果，而以植物为原料制造塑料是努力方向之一。目前，罗文及其团队就正在探索利用植物纤维素制造生物塑料。构成植物细胞壁的纤维素是一种天然的聚合物，但目前已上市的一些植物纤维素塑料在强度和耐久性上还不能与传统塑料相比。为解决这一问题，罗文团队正在从一种叫“奇岗”（Miscanthusgiganteus）的多年生草本植物中提取纤维素纳米材料，他们开发的提取工艺已达工业级。目前，该团队正在对工艺进行改进，以提高生物塑料对温度的耐受性和阻隔性，以便更好地用于包装等行业。

    对于塑料废弃物的另一大来源——消费类电子产品（如智能手机、笔记本电脑、电视机、视频游戏控制台以及所有配件等），罗文和芝加哥大学分子工程学院教授以及阿贡实验室的水资源专家陈俊宏（Junhong Chen，音译），也正在探索如何从源头上设计这类电子产品。

    2020年，罗文、陈俊宏和来自芝加哥大学、西北大学、伊利诺伊大学厄巴纳——香槟分校（UIUC）、伊利诺伊大学芝加哥分校的多位研究同事从美国国家科学基金会（NSF）申请到了一笔915万美元的研究基金，力争在5年内开发出一套能生产生物可降解电子设备的3D打印系统。该系统同样使用从植物中提取的纤维素纳米材料作为“墨水”，并且可根据电子设备的不同用途被设计成具有不同的金属、超导或绝缘特性。目前，罗文正与UIUC的植物学家探讨不同的生长条件如何影响纤维素纳米材料的产量和类型以及其功能特性。据悉，该团队已经利用植物材料3D打印出简单的电子传感器，反过来用以监测植物生长的温度、光照、湿度等，这样的反馈回路有助于进一步改善整个工艺，最终制造出更先进复杂的设备和电池。陈俊宏说，希望这样的系统和平台能够鼓励更多的生物制造，从而最大限度地减少对环境的负面影响。罗文则说，他毫不怀疑这项技术的潜力，随着更具功能性且可持续的材料被发掘出来，避免塑料废弃物大量产生和建设循环经济前景可期。

    此外，该团队还在与芝加哥大学和阿贡实验室的其他材料科学家合作，运用人工智能和机器学习手段寻找或设计下一代可循环利用或更容易生物降解的塑料。

3.管理二氧化碳

    不管是开发新塑料还是量子材料，循环经济的主要目标实质上都是找到可逆地使用碳的方法，即让碳在不同产品中实现循环利用。

    阿贡实验室化学家格鲁萨克（Ksenija Glusac）及其团队就在探索用制造过程中直接捕获的二氧化碳生产其他化学品，也就是说，二氧化碳被封闭在几乎无限循环的生产过程中，避免被释放到大气中。目前，该团队正在试验用工业生产中释放出的二氧化碳制造甲醇（但也在考虑制造其他化合物）。甲醇有多种用途，可用于制造其他许多化学品，也可将其注入燃料电池中发电。

    除了捕获工业过程排放的二氧化碳外，格鲁萨克和同事的长远目标是直接从空气中捕获。后者目前面临的主要障碍是如何在做到捕获二氧化碳的同时避免将其他重要成分如氧气也掺杂进来。格鲁萨克承认，这要花数年时间才能实现。

    在另一项行动中，阿贡与北伊利诺伊大学合作开发出一种较廉价的将二氧化碳和水转化为乙醇的方法。通常情况下二氧化碳十分稳定，将其转化成其他分子需要耗费大量能量，转化过程十分昂贵。但阿贡科学家发现的新型电催化剂大大降低了二氧化碳和水转化为乙醇过程中的能量门槛，并对最终产品有高度的选择性（超90%）且成本较低，被认为是该实验室2020年最重要的8项科学突破之一。目前，该实验室的研究人员正在探讨将该催化过程与可再生能源电网相结合，使用非用电高峰时段由风能或太阳能的发电进行催化，以达到进一步降低温室气体排放的目的。由于该催化过程在低温和低压下即可进行，可以迅速启动和暂停，因此对于可再生能源发电的间歇性完全可以应付自如。该项研究利用了阿贡实验室的“先进光子源”和“纳米材料中心”（CNM）两个大型设施。

    阿贡实验室的这些循环经济新思路和新做法有很多仍处于早期阶段，有些还刚刚成型，成熟些的也只是过去几年才投入使用。但阿贡实验室的这些探索性研究无疑为人们提供了新的思路。同时，这些研究具有潜在的双重价值——既有利于保护环境，也有利于提升能源和供应链安全。

    （作者：谷峻战，系中国科学技术信息研究所副研究员）