你相信未来只要有二氧化碳,就可以源源不断的产生燃料吗?

发布网友发布时间：2023-04-12 06:03

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热心网友时间：2023-10-22 23:34

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家研制出一种新的电催化器，它利用创纪录的低能量投入，直接将二氧化碳转化为多碳燃料和酒精。这项工作是伯克利实验室开展的一轮研究中的最新一项，为了创建一个能够充分利用二氧化碳的清洁化学制造系统。

伯克利实验室科学家杨培东领导的一个研究小组发现，由铜纳米粒子构成的电催化器为分解二氧化碳以形成乙烯、乙醇和丙醇提供了必要的条件。

所有这些产品都含有两到三个碳原子，在现代生活中都被认为是高价值的产品。乙烯是用于制造塑料薄膜和瓶子以及聚氯乙烯（PVC）管道的基本成分。乙醇通常由生物质制成，它已经成为汽油的生物燃料添加剂。虽然丙醇是一种非常有效的燃料，但目前制造成本太高，不能用于此目的。

为了测量催化剂的能源效率，科学家考虑产品的热力学电位（电化学反应中可获得的能量量）以及高于该热力学电位以足够反应速率驱动反应所需的额外电压量。额外的电压称为超电位;超电位越高，催化剂的效率越高。

伯克利实验室材料科学系的高级教师杨说："现在在这个领域，制造催化剂可以产生二氧化碳中的多碳产品是很常见的，但这些工艺通常以1伏特的高超极值运行，以达到可测量的量。"我们在这里报道的更具挑战性。我们发现一种催化剂，可降低二氧化碳在高电流密度下运行，其超电位率创历史新低，比典型的电催化剂低约 300 毫伏。

立方体式铜催化剂

研究人员利用X射线光电光谱学、透射电子显微镜和扫描电子显微镜的组合，对伯克利实验室分子铸造厂中的电催化器进行描述。

催化剂由紧密包装的铜球组成，每个球体直径约7纳米，以密集包装的方式在碳纸上分层。研究人员发现，在电解的早期，纳米粒子团融合并转化为立方体样纳米结构。立方体形状的大小从10纳米到40纳米。

伯克利实验室化学科学系和加州大学伯克利分校材料科学与工程系的研究生、研究主要作者道贤金（Dohyung Kim）说："正是在这个转变之后，对形成多碳产品的反应正在发生。"我们试图从预制的纳米级铜块开始，但并没有产生大量的多碳产品。正是这种从铜纳米层到立方体状结构的实时结构变化，促进了多碳碳氢化合物和氧酸盐的形成。

"我们知道，这种独特的结构为二氧化碳转化为多碳产品提供了有利的化学环境，""立方体形状和相关界面可能是二氧化碳、水和电子可以聚集在一起的理想聚会场所。

这项新研究说明了在过去几年中，二氧化碳减排已成为能源研究中一个日益活跃的领域。人工光合作用寻求使用同样的起始成分来生产合成产品以及乙醇等燃料中常用的化学前体，而不是利用太阳的能量将二氧化碳转化为植物性食物。

伯克利实验室的研究人员已经接管了这一挑战的各个方面，例如控制从催化反应中产生的产品。例如，2016年，开发了一种混合半导体-细菌系统，用于从二氧化碳和阳光中生产醋酸盐。今年早些时候，另一个研究小组使用光催化物将二氧化碳几乎完全转化为一氧化碳。最近，报告了一种新的催化剂，用于有效生产合成气体混合物或合成气。

研究人员还致力于提高二氧化碳减排的能源效率，以便扩大系统用于工业用途。

最近，由伯克利实验室研究人员在人工光合作用联合中心领导的一篇论文利用基础科学来展示优化整个系统的每个组件如何以令人印象深刻的能源效率实现太阳能燃料生产的目标。

这个新的 PNAS 研究的重点是催化剂的效率，而不是整个系统，但研究人员指出，催化剂可以连接到各种可再生能源，包括太阳能电池。

Kim 说："通过利用已经为商业太阳能电池和电解机等其他组件建立的价值，我们预测两到三碳产品的电对产品和太阳能产品能效分别高达 24.1% 和 4.3%。

Kim估计，如果这种催化剂作为太阳能燃料系统的一部分被整合到电解机中，那么一种只有10平方厘米的材料每天可以产生大约1.3克乙烯、0.8克乙醇和0.2克丙醇。

他说："随着太阳能燃料系统各个部件的不断改进，这些数字应该会随着时间的推移而不断改善。