二氧化碳转化为电子燃料方面取得了突破性进展

  • 发布时间:2021-03-09 07:33:44 来源:
标签:

科学家们一直在寻求办法丰富的CO转化2到有用的产品,如化学品和燃料。早在1869年,他们就能够将CO 2电催化转化为甲酸。在过去的二十年中,CO的崛起2在地球大气层已经显著加快研究中的CO 2使用可再生能源,包括太阳能,风能和潮汐转换。因为这些资源是间歇性的 - 太阳不会每天都在发光,风也不会持续吹 - 如何安全且经济地储存可再生能源是一项重大挑战。

最近的研究在电催化CO 2转换点的方式来使用CO 2作为原料和可再生电力作为能源供应不同类型的燃料和增值化学品如乙烯,乙醇,和丙烷的合成。但是科学家还是不明白甚至这些反应的第一步- CO 2活化,或线性CO的转化2分子在催化剂表面,在接受所述第一电子。了解活化CO 2的确切结构这是至关重要的,因为它的结构决定了反应的最终产物和能源成本。该反应可以从许多初始步骤开始并经历许多途径,通常给出产物的混合物。如果科学家弄清楚这一过程是如何起作用的,那么他们将能够更好地选择性地促进或抑制某些途径,从而为这项技术开发出商业上可行的催化剂。

哥伦比亚工程研究人员今天宣布,他们解决了第一部分难题?他们已经证明CO 2电还原开始于一个常见的中间体,而不是通常认为的两个。他们应用了一套全面的实验和理论方法来确定第一个CO 2电还原中间体的结构:羧酸盐CO 2?用C和O原子附着在表面上。他们的突破,今天在线发表于PNAS,采用表面增强拉曼散射(SERS)代替更常用的表面增强红外光谱(SEIRAS)。光谱结果通过量子化学模型得到证实。

“我们对CO发现2激活将打开大门,一个令人难以置信的宽广范围的可能性:如果我们完全可以理解的CO 2电还原,我们就可以减少我们对化石燃料的依赖,有利于应对气候变化的减缓,”该论文的主要作者,地球与环境工程系副研究员Irina Chernyshova说。“此外,我们见识到CO 2活化在固-水界面将使研究人员能够从CO益生元的方案更好的模型2到可能导致生活在这个星球的起源复杂的有机分子。”

他们决定使用SERS而不是SEIRAS进行观察,因为他们发现SERS具有几个显着优势,可以更准确地识别反应中间体的结构。最重要的是,研究人员能够测量沿着整个光谱范围和操作电极(在操作中)在电极 - 电解质界面处形成的物种的振动光谱。利用量子化学模拟和传统的电化学方法,研究人员能够首先详细了解如何在电极 - 电解质界面激活CO 2。

理解第一反应中间体的性质是将电催化CO 2转化为有用化学品的商业化的关键步骤。它为从试错法范式转向合理的催化剂设计奠定了坚实的基础。“凭借这些知识和计算能力,”该论文的共同作者Sathish Ponnurangam说道,他是Somasundaran实验室的前研究生和博士后,现在是加拿大卡尔加里大学化学和石油工程助理教授,“研究人员将会能够更准确地预测不同催化剂上的反应,并指出最有希望的催化剂,可以进一步合成和测试。“

“哥伦比亚工程实验提供了这样的细节,我们应该能够获得对计算模型的非常确定的验证,”CalTech的化学,材料科学和应用物理学的Charles和Mary Ferkel教授William Goddard说,他没有参与研究。“我希望与我们的理论一起,哥伦比亚工程实验将提供精确的机制,并研究不同合金,表面结构,电解质,添加剂的机制如何变化,应该能够优化水喷射的电催化剂(太阳能燃料) ),CO 2减少燃料和有机原料,N2减少到NH3,以获得更便宜的肥料,这是社会获得能源和食物以适应我们爆炸性人口所面临的所有关键问题。“

电催化和光催化(所谓的人工光合作用)是实现可再生能源有效储存的最有前途的方法之一。CO 2电还原已捕捉研究者的想象,因为它类似光合作用的超过150年。只是作为植物将太阳光转换成化学能,催化剂转换由可再生能源提供的转化为化学能的电子存储在降低CO的产品2。除了其对可再生能源的应用,电技术还可以通过从CO回程和含碳化学物质提供燃料使载人火星任务和殖民地2,构成了该行星的大气层的95%。

“我们希望我们的研究结果和方法能刺激如何让去更快的速度和更低的能源成本不仅是电,而且光催化CO工作2减少,” Ponisseril Somasundaran,矿物工程的LaVon Duddleson Krumb教授,地球与环境部说,工程。“在后一种情况下,催化剂减少CO 2使用阳光直射。尽管这两种方法都通过实验不同,他们是微观相似?二者开始CO的活化2在从催化剂表面的电子转移。在这一点上,相信这两种方法都将主宰未来。“

  • 版权声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。