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MIT提升碳捕捉电化学反应催化系统效率可制成汽车燃料、化学原料

发布时间:2021-01-28 08:38:58 来源: 作者:

   能够捕捉并能转化发电厂二氧化碳的系统在遏制气候变化方面是非常重要的工具,但是大多数此类系统都相对低效且昂贵。现在,据外媒报道,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员研发了一种方法,能够大大地提升使用催化表面提升碳捕捉电化学反应效率的系统的性能。

  

  

利用染料揭示水中二氧化碳的浓度(图片来源:MIT)

  对于碳捕捉而言,此类催化系统是一个非常有吸引力的选择,因为其能够产生有价值的产品,如运输燃料或化学原料,此类产品可为该过程提供优势,从而抵消降低二氧化碳排放的成本。

  在此类系统中,通常有一股含有二氧化碳的气体通过水来运输二氧化碳以进行电化学反应。此类气体穿过水时行动缓慢,从而降低了二氧化碳的转化速度。新设计确保了这股二氧化碳一直集中于靠近催化剂表面的水中,从而可将该系统的性能翻倍。

  研究人员表示:“二氧化碳捕获是当今的挑战,有很多方法可以捕获二氧化碳,包括地质封存、海洋存储、矿化和化学转化等方法。当谈及利用此类温室气体制成有用、可出售的产品时,电化学转化技术是一种非常有发展前景的方法,但是仍需要改进技术才可以使其具有经济可行性。我们的研究目标就是了解该过程中最大的瓶颈是什么,以及如何改进或缓解瓶颈。”

  研究人员发现,瓶颈在于如何将二氧化碳输送至催化剂表面,从而促进所需的化学转化。在此类电化学系统中,含有二氧化碳的一股气体会在压力下与水混合,或者通过一个装有催化剂材料(如铜)的容器让其冒泡。然后,再施加电压以促进产生碳化合物的化学反应,此类碳化合物可以转变成燃料或者其他产品。

  此类系统中面临两个挑战:反应进行得非常之快以至于其消耗二氧化碳的速度超过了供应的速度,把所供应的二氧化碳都用光了;如果此类情况发生,水分解成氢和氧的反应就会占上风并会消耗掉投入到该反应中的大部分能量。

  之前研究人员曾试图通过修饰催化剂表面,增加反应的表面积,从而优化此类反应,但是未能达到预期结果,因为供应到表面的二氧化碳不能跟上反应速率的增加,因此随着时间的推移,转而生产出氢气。

  研究人员通过在催化剂材料附近放置吸引气体的表面以解决上述问题。此种材料是一种具有特殊纹理的“亲气”超疏水材料,排斥水但是能够让称为胸甲(plastron)的光滑气体层紧贴其表面,让流入的二氧化碳恰好正对着催化剂,从而将二氧化碳转化反应实现最大化。通过使用基于染料的pH值指示器,研究人员能够将测试样本中的二氧化碳浓度实现可视化,并且清楚表明二氧化碳浓度增加源于该胸甲。

  在利用该装置的一系列实验室实验中,碳转化反应的速率翻了一番,而且此种反应会持续一段时间,而原来的实验中,此种反应很快就会消失。该系统能够以高速率产生乙烯、丙醇和乙醇(一种潜在的汽车燃料)。与此同时,氢反应被大幅削减了。尽管该项新研究能够微调该系统,让其产生所需的产品组合,但在某些应用中,可能可以实现优化产氢以作为燃料的预期结果。

  通过将二氧化碳集中到催化剂表面,该新系统还产生了两种有用的碳化合物,丙酮和乙酸,而此前的电化学系统都没有探测到此两种碳化合物。

  研究人员表示,在早期阶段的实验室研究中,一条疏水吸引气体的材料被放在一个铜电极旁边,但在未来的研究中,可能会采用一组密集交错并联的金属板来制成一种实用性设备。

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