东方时讯网多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员设计的一种新催化剂可以显着提高电化学过程的实用性，该过程将捕获的二氧化碳转化为多碳分子——化学工业的一些关键组成部分。
“我们需要不需要化石燃料投入的日常产品的替代途径，”机械和工业工程教授兼《自然能源》上发表的一篇新论文的资深作者大卫辛顿说。
“随着碳捕获的最新进展，有机会使用CO2替代现代世界所依赖的核心化学原料。通过开发具有成本效益的方法将这种碳升级为我们已经需要的产品，我们可以增加经济激励捕获而不是排放CO2。”
升级碳的一种方法涉及电化学——用于推动所需化学反应的电。转化在称为电解槽的设备中进行，其中电子与固体催化剂表面的反应物结合。
该团队在成功开发创新方法以提高电化学CO2转化效率方面拥有良好的记录。
在他们最新发表的作品中，研究人员专注于称为“级联CO2还原”的过程的变体。在这个两步过程中，CO2首先溶解在液体电解质中，然后通过电解槽，在电解槽中与电子反应形成一氧化碳(CO)。
CO然后通过第二个电解槽，在那里它被转化为双碳产品，例如通常用作燃料的乙醇和乙烯，乙烯是许多类型的塑料和其他消费品的前体。
正是在这第二步，团队发现了他们认为可以克服的低效率问题。挑战与选择性有关，选择性是通过减少不需要的副产物的形成来最大化目标分子产量的能力。
“关键问题之一是在反应物可用性低的情况下选择性差，”博士后研究员AdnanOzden说，他是这篇新论文的四位主要作者之一。
“这反过来又会导致能源效率(即我们使用泵入系统的电子的效率)与碳效率(衡量我们使用CO2和CO的效率)之间的权衡。”
“有实现高能源效率的方法，也有实现高碳效率的方法，但它们通常是分开处理的，”另一位主要作者、前博士后研究员、现任副教授的李军说。上海交通大学。“在单一操作模式下实现两者是关键。”
该团队调查了这种权衡的原因，发现它源于催化剂表面带正电的离子(称为阳离子)的过度积累，以及带负电的离子(称为阴离子)的不良迁移。从催化剂表面。
为了克服这一挑战，他们从超级电容器的设计中汲取了灵感，超级电容器是另一种离子传输至关重要的电化学系统。他们在催化剂表面添加了一种称为共价有机骨架的多孔材料，这使他们能够控制局部反应环境中阳离子和阴离子的传输。
“通过这种修改，我们获得了高度多孔、高度疏水的催化剂层，”李说。
“在这种设计中，共价有机框架与阳离子相互作用，以限制它们扩散到活性位点。由于其高疏水性，共价有机框架还限制了局部产生的阴离子。”
使用新的催化剂设计，该团队建造了一个电解槽，可以将CO转化为二碳产品，碳效率为95%，同时还能将能源效率保持在40%的相对较高水平。
“当你看看迄今为止在该领域取得的成就时，各种方法往往侧重于获得非常高的能源效率，或者非常高的碳效率，”Ozden说。“我们的新设计表明有可能打破这种权衡。”
还有更多的工作要做。例如，虽然原型设备可以保持200多个小时的性能，但如果要在工业上使用，则需要持续更长时间。尽管如此，新战略在提高升级捕获碳的价值主张方面显示出潜力。
“如果这个过程要在商业上被采用，我们需要能够证明我们能够以一种可扩展且具有成本效益的方式完成转换，以具有经济意义，”辛顿说。“我认为我们的方法表明这是一个触手可及的目标。”