二氧化碳高效轉化為燃料——電催化劑對納米粒子的關鍵作用
2017-09-21 瀏覽量：369
來源：材料人網
科學家現已開發出一種新的電催化劑，該催化劑可通過史上最低的能源投入直接將二氧化碳轉化為更多碳燃料和醇類。這項工作旨在創造清潔的化學系統，該系統可充分利用二氧化碳并發揮其效能。
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【圖注】由銅納米顆粒制成新催化劑的示意圖，該銅納米顆粒即由二氧化碳轉化成的多碳產物（包括乙烯，乙醇和丙醇）。左上圖是銅納米粒子的透射電子顯微鏡圖像，將納米顆粒從球體轉變為立方體結構是在反應中將能量輸入保持最低的關鍵。
能源部Lawrence Berkeley國家實驗室（Berkeley Lab）科學家們的此項研究工作是Berkeley實驗室進行研究的最新進展，該項研究旨在創建清潔的化學制造系統，從而使二氧化碳得到很好的利用。在本周美國國家科學院院刊（PNAS）發表的新研究中，由Berkeley實驗室科學家楊培東帶領的研究小組發現，由銅納米粒子組成的電催化劑提供了分解二氧化碳所需的產物條件，例如乙烯，乙醇和丙醇。
這些產品都含有2-3個碳原子，并且都被認為是現代生活中的高價值產品。乙烯是用于制造塑料膜、瓶子以及聚氯乙烯（PVC）管道的基本成分，而乙醇則通常由生物質制成，其已經占據了汽油生物燃料添加劑的地位。雖然丙醇是非常有效的燃料，但是其應用成本太高。
為了衡量催化劑的能量效率，科學家們考慮到產品的熱力學潛力（即電化學反應中可以獲得的能量），以及驅動反應的熱力學潛力所需的額外電壓量率。該額外電壓稱為超電勢，該超電勢越低，催化劑效率越高。
Berkeley實驗室材料科學部高級科學家楊教授說：“在當前的研究領域中，通常可以利用二氧化碳制造催化劑，這種催化劑可以生產出多碳二烯產品，但這些工藝通常以1伏的高電壓運行，以達到可觀的電壓量。此時的報道更具挑戰性，我們發現了一種二氧化碳還原催化劑，在高電流密度下運行，僅需提供史上最低的電壓，比典型的電催化劑低了大約300毫伏。
立方銅催化劑
研究人員使用X射線光電子能譜，透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的表征組合，對Berkeley Lab的Molecular Foundry的電催化劑進行了表征。催化劑由緊密堆積的銅球組成，每個直徑約為7納米，以密集填充的方式分層在碳紙的頂部。研究人員發現，在電解的早期階段，納米顆粒簇融合并逐步轉變成立方體納米結構，立方體形狀的尺寸范圍為10至40納米。
研究主管作者Dohyung Kim博士說：“在這種轉型之后，立即形成多碳產品的反應。我們試圖從預先形成的納米尺寸銅立方體開始實驗，但是沒有產生大量的多碳三聚氰胺產品，這是從銅納米球到立方體結構的實時結構變化，促進了多碳氫化合物和含氧化合物的形成”。我們所知道的是，這種獨特的結構為二氧化碳轉化為多碳產品提供了有利的化學環境，”該博士說，“立方體形狀和相關表面可能會提供一個理想的交匯點，使二氧化碳，水和電子可以聚在一起。”
二氧化碳—燃油的多種轉化途徑
這項最新研究表明，二氧化碳減排在能源研究方面已經成為日益活躍的領域。人造光合作不是利用太陽的能量將二氧化碳轉化為植物食物，而是使用相同的起始成分來生產合成產物中的化學前體以及乙醇等燃料。
Berkeley實驗室的研究人員已經解決了多方面的挑戰，例如控制催化反應產生的產物，并在2016年，開發了用于從CO 2和陽光生產乙酸鹽的混合半導體細菌系統。以及上半年，另一個研究團隊使用光催化劑將二氧化碳幾乎完全轉化為一氧化碳。甚至最近，為了有效地生產合成氣以及混合物，該實驗室開發了一種新的催化劑。
該實驗室地研究人員還致力于提高二氧化碳減排的能源效率，以便使得該系統擴大工業化。由Berkeley實驗室研究人員在人工光合作用聯合中心發表的最近一篇文章中，他們利用基礎科學來展示如何優化整個系統的各個組成部分，以令人印象深刻的能源效率實現太陽能燃料生產的工業目標。
這項新的PNAS研究側重于催化劑的效率而不是整個系統，但研究人員指出，該催化劑可以連接到各種可再生能源，包括太陽能電池。“通過利用已經為其他組件（如商業太陽能電池和電解器）構造的使用價值，我們分別將電子產品和太陽能、以及產品的能源效率分別提高到二至三碳產品的24.1％和4.3％ ”，Kim說道。
Kim估計，若將該催化劑作為太陽能燃料系統的一部分并入電解槽中，那么只有10平方厘米的材料可以每天產生約1.3克乙烯，0.8克乙醇和0.2克丙醇。他說：“隨著太陽能燃料系統個別部件的不斷改善，這些數字會隨著時間的推移而不斷改善。”
