从稀薄的空气中制造有用的燃料有望减少大气中的二氧化碳含量，化学家兼助理教授克里斯托弗·巴里尔 (Christopher Barile) 正在努力实现这一目标。
Barile 深切关注气候变化和社会对化石燃料的依赖。气候变化是一个化学问题——燃烧煤、石油或天然气等化石燃料会产生二氧化碳或 CO2。CO2分子在以热量的形式捕获能量并使我们的大气变暖方面非常有效。
尽管植物可以有效地将 CO2还原为糖，但它们无法弥补自工业革命以来引入的大规模 CO2。与生态学家、保护生物学家和 Barile 理学院的许多其他同事一起，化学家几十年来一直在研究这个问题，并准备迎接挑战。
“从空气中去除CO2完全改变了游戏规则——它可能需要 20 年的时间，但它可能会拯救地球。”
“未来的历史学家很有可能将气候变化视为 21 世纪决定性的人道主义问题，”巴里尔说。“虽然在路上看到更多的太阳能电池板安装在家庭和电动汽车上令人兴奋，但充分应对气候变化是一个需要多方面解决方案的巨大问题。与一些人认为的相反，问题不仅仅是缺乏政治意愿或市场采用的问题。不幸的是，在必要的科学技术发展方面仍然存在很大差距。”
Barile 实验室的研究解决了与电化学、无机化学和材料化学交叉的能量转换、存储和效率相关的问题。目前，他的实验室的重点是电催化。电催化，或改变电驱动反应的速率，是许多绿色能源转换过程的核心，例如燃料电池或二氧化碳修复中发生的那些。
“当我在高中时，仍然有一些希望，如果我们采取足够积极的行动，我们可以将地球大气中的二氧化碳水平限制在可控水平，”他说。“大多数气候科学家现在都同意，在二氧化碳浓度远高于 400 ppm 的情况下，我们已经过了不归路。这意味着我们必须开发出从大气中积极去除二氧化碳的方法，而不仅仅是减少未来的排放。”
Barile 的实验室开始研究可再生能源和环境技术的两个核心反应。首先是将二氧化碳转化回燃料。
“我很高兴我们的实验室正在研究可以将二氧化碳转化为有用燃料的新催化剂。如果成功，这项研究可能会产生技术，使我们能够消除有害的温室气体排放，并实现气候更稳定的未来。”
今年早些时候，Barile 获得了美国国家科学基金会 CAREER 奖，这是一项 NSF 计划，旨在支持有潜力在研究和教育领域成为学术榜样的早期职业教师。
“CAREER 奖将使我能够从与其他研究人员不同的角度从事催化研究，并希望最终能够更深入地了解催化的工作原理，”他说。“在研究生的早期，我寄希望于我会走运并发现下一个最好的催化剂。我转向更深入的理解是我多年来研究发展的主要方式。我相信，如果能够发现这种更深入的理解，它将为激动人心的、改变世界的研究打开闸门，远远超出通过单一的、也许是偶然的发现所能实现的。”
CAREER 奖将支持他的实验室专注于电催化的研究生和本科生研究。Barile 和他的团队将研究使这些催化剂高效、耐用且价格低廉的新策略。
“随着情况变得更加严峻，我们必须着眼于短期和长期，”他说。“我们必须做有风险的项目——我们也从失败的风险项目中学习。我希望我的学生向我学习，冒险是有价值的。在毅力和好奇心的推动下，健康地接受失败将导致超出他们最疯狂想象的成长。”
“我对 CAREER 奖感到兴奋，”他说。“从空气中去除CO2完全改变了游戏规则——它可能需要 20 年的时间，但它可能会拯救地球。”
在他的实验室中，Barile 正在使用“二氧化碳还原电解槽”，它利用电力推动不利的反应，例如将二氧化碳转化为有用的燃料，如甲烷、甲醇和甲酸。原则上，这些燃料随后可用于燃料电池，为车辆或建筑物提供动力。电解槽很常见，但 Barile's 是一种定制设计的仪器，连接到气相色谱仪，使他的团队能够识别和测量实验过程中产生的产物。
电通过电解槽并通过水和溶解的二氧化碳的溶液。Barile 实验室的博士后研究员 Hanqing Pan 制造了聚合物改性的金属电极(通常是铜)，能够选择性地将二氧化碳转化为合成燃料。了解 CO2还原的机制是为该反应设计有效催化剂的关键，而这正是 Barile 在材料科学、化学和工程方面的背景偶然相交的地方。
“通过设计具有不同结构的催化剂，我们可以控制反应的进行方式以及制造的燃料类型，”Barile 说。“我们通过在含氟聚合物中涂覆催化剂来做到这一点。我们发现通过改变含氟聚合物的质子渗透性，我们可以改变催化剂对不同燃料的选择性。
“现在，我们在罐中使用二氧化碳，但最终我们将开始从空气中捕获二氧化碳，”他说。“通过这种方式，我们可以减少大气中的碳排放。”
促进这一反应的设备有朝一日可以在二氧化碳排放的点源(如发电厂)中实施。
“在将其扩大到工业用途之前，需要进行一些修改，”他说。“首先，它必须用二氧化碳捕获装置进行改造，以便在将二氧化碳送入电解槽之前，可以从空气中浓缩二氧化碳(而不是使用罐中的纯二氧化碳)。其次，必须设计电极，使其能够处理大量气体，从而以具有工业意义的速度生产燃料。”
“这样的突破对减缓气候变化大有帮助。梦想是建立一个循环，将二氧化碳转化为这些燃料中的一种或多种，然后这些燃料可以在燃料电池中用于为车辆或其他设备提供动力。该计划将使社会能够创建碳的闭环循环。将二氧化碳还原成有用的燃料需要能量，但如果该能量由无碳来源提供，我们就可以开始降低大气中的CO2水平。”
Barile 将重点关注的第二个反应是将硝酸盐转化为良性氮气。硝酸根离子是肥料的主要成分和主要的环境污染物，尤其是在水道中。
“一个很好的例子是太浩湖，”他说。“硝酸盐浓度的增加导致藻类的生长增加，从而降低了该湖著名的水透明度。肥料中的硝酸盐来自以空气中的氮气开始的化学过程。然而，一旦硝酸盐进入环境，就没有将所有硝酸盐转化回氮的过程。因此，就像二氧化碳转化一样，硝酸盐转化催化剂可以通过关闭循环和实现氮循环来解决这个问题。”
他说，虽然感觉化学界真的很接近找到气候变化的可用解决方案，但科学已经接近了多年。
“这就是为什么全球有成千上万的科学家致力于解决这些问题，希望将一项技术推向终点的原因之一。但随后你查看文献并意识到我们已经“接近”了三十年或更长时间。这种认识让我退后一步，真正尝试分析基础科学，看看研究人员遗漏了什么。
“作为一名化学家，我可以研究成千上万种不同的问题。对我来说，我发现专注于我认为如果成功将对社会产生最大影响的问题是最令人兴奋的。”
