2018-11-09 06:24:01
新系统为将二氧化碳转化为工业燃料打开了大门

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想象一下,有一天 - 而不是被喷入大气层 - 来自发电厂和重工业的气体被捕获并送入催化反应器,催化反应器将温室气体如二氧化碳化学转化为工业燃料或化学品,并且仅释放氧气。

王浩天所说的未来可能比许多人意识到的更近。

作为哈佛大学Rowland研究所的研究员,Wang及其同事开发了一种改进的系统,使用可再生电力将二氧化碳减少为一氧化碳 - 一种工业过程中使用的关键商品。该系统在11月8日发表于Joule的论文中有所描述,Joule是一家新推出的Cell press姐妹期刊。

“最有希望的想法可能是将这些设备与燃煤发电厂或其他产生大量二氧化碳的行业联系起来,”王说。 “这些气体中约有20%是二氧化碳,所以如果你可以将它们泵入这个电池......并将其与清洁电力结合起来,那么我们就可以以可持续的方式从这些废物中产生有用的化学物质,甚至可以接近二氧化碳循环。“

Wang说,新系统代表了他和同事们在2017年Chem的论文中首次描述的一个重大进步。

那个旧系统几乎没有手机的大小,依靠两个充满电解质的腔室,每个腔室都有一个电极,新系统更便宜,依靠高浓度的二氧化碳气体和水蒸气来更有效地运行 - 只是Wang说,一个10×10厘米的电池每小时可以产生多达4升的CO。

王说,新系统解决了两个主要挑战 - 成本和可扩展性 - 被视为限制了最初的方法。

“在早期的工作中,我们发现了单一的镍原子催化剂,它们对于将二氧化碳减少到二氧化碳非常有选择性......但我们面临的挑战之一就是材料的合成成本很高,”王说。 “我们用来锚定单个镍原子的支持是基于石墨烯的,如果你想在未来的实际应用中以克或甚至千克的规模生产它,就很难扩大规模。”

他说,为了解决这个问题,他的团队转向使用比石墨烯便宜数千倍的商业产品作为替代支持 - 炭黑。

使用类似于静电吸引的工艺,Wang及其同事能够将单个镍原子(带正电荷)吸收到炭黑纳米粒子中的缺陷(带负电)中,所得到的材料既低成本又对CO2减少具有高选择性。

“现在,我们生产的最好的产品是克,但以前我们每批只能生产毫克,”王说。 “但这仅限于我们拥有的合成设备;如果你有一个更大的油箱,你可以制造千克甚至吨催化剂。”

王和他的同事必须克服的另一个挑战与原始系统仅在液体解决方案中工作的事实有关。

初始系统通过在一个腔室中使用电极将水分子分解成氧和质子来工作。当氧气冒出时,通过液体溶液传导的质子将进入第二个腔室,在镍催化剂的帮助下,它们将与CO2结合并使分子分开,留下CO和水。然后可以将水反馈回第一个腔室,在那里它将再次被分开,并且该过程将再次开始。

“问题在于,我们在该系统中可以减少的二氧化碳只是那些溶解在水中的二氧化碳;催化剂周围的大多数分子都是水,”他说。 “只有微量的二氧化碳,因此非常低效。”

Wang说,虽然简单地增加施加在催化剂上的电压以提高反应速率可能很诱人,但这会产生分裂水的意外后果,而不是减少CO2。

“如果消耗靠近电极的二氧化碳,其他分子必须扩散到电极,这需要时间,”王说。 “但如果你增加电压,周围的水更有可能利用这个机会反应并分裂成氢气和氧气。”

事实证明,解决方案相对简单 - 避免分解水,团队将催化剂从解决方案中解脱出来。

他说:“我们用水蒸气取代了液态水,并用高浓度的二氧化碳气体进料。” “因此,如果旧系统的水含量超过99%,二氧化碳含量低于1%,那么现在我们可以完全逆转这一点,并将97%的二氧化碳气体和仅3%的水蒸气泵入该系统。在此之前,液态水也起到离子的作用系统中的导体,现在我们使用离子交换膜来帮助离子在没有液态水的情况下四处移动。

“影响是我们可以提供一个数量级更高的电流密度,”他继续说道。 “以前,我们的平均运行速度大约为10毫安/平方厘米,但今天我们可以轻松升至100毫安。”

王先生说,展望未来,该系统仍然需要克服挑战 - 特别是与稳定性有关。

“如果你想利用它来产生经济或环境影响,它需要持续数千小时的操作,”他说。 “现在,我们可以做几十个小时,所以仍然存在很大差距,但我相信这些问题可以通过对二氧化碳减排催化剂和水氧化催化剂进行更详细的分析来解决。”

王说,最终,工业将能够捕获现在释放到大气中的二氧化碳,并将其转化为有用的产品。

“一氧化碳不是一种特别高价值的化学产品,”王说。 “为了探索更多的可能性,我的团队还开发了几种铜基催化剂,可以进一步将二氧化碳减少为更有价值的产品。”

他将自己在罗兰学院享有的自由归功于新系统的突破。

“作为一名早期职业研究人员,罗兰为我提供了一个独立研究的绝佳平台,该平台启动了我的小组将继续推进的大部分研究方向,”最近接受赖斯大学职位的王说。 “我一定会想念我在这里的日子。”

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