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“反向燃料电池”以创纪录的速度转化二氧化碳

2020-02-12    来源:《科学》
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[ 导读 ]:燃料电池可以将化学物质转化为电能。那么,将其反向操作呢?《科学》杂志报道,加拿大多伦多大学的研究人员采用“反向燃料电池技术”,利用电能将二氧化碳转化为了有价值的产品。
“反向燃料电池”以创纪录的速度转化二氧化碳
Adnan Ozden, Joshua Wicks和F. Pelayo García de Arquer等设计的电解槽,其二氧化碳基产品的转化速率较之前的版本提高了近10倍。
 
“反向燃料电池”以创纪录的速度转化二氧化碳
新电解槽中包含有铜基催化剂和离子导电聚合物Nafion。
 
燃料电池可以将化学物质转化为电能。那么,将其反向操作呢?《科学》杂志报道,加拿大多伦多大学的研究人员采用“反向燃料电池技术”,利用电能将二氧化碳转化为了有价值的产品。论文作者Ted Sargent教授说:“几十年来,科学家们长期从事电能-氢能-电能转化系统的研究,并取得了一些突破性成果。我们的创新性研究正是建立在此基础之上。”
 
在氢燃料电池中,氢和氧在催化剂表面结合在一起。反应释放出的电子被燃料电池内部的特殊材料捕获,并被泵入电路中。电解槽的原理正好相反,它利用电能来驱动化学反应。项目参与人员、博士研究生Joshua Wicks解释说:“乙烯是最重要的基础化学品之一。目前,它的主要来源是石油。如果我们能够用二氧化碳制造乙烯,那么碳捕获行业将获得新的经济激励。”
 
然而,现有的电解槽生产乙烯的规模还不足以与石化裂解技术抗衡。研究人员Adnan Ozden说:“这个反应需要三种物质参与——二氧化碳、氢离子以及金属催化剂提供的电子。实现三者的迅速结合颇具挑战性,这也是反应速率受限的主要原因之一。”
 
在Sargent团队最新设计的电解槽中,研究人员采用了一种独特的材料排列方式来加快反应速率。虽然电子仍然是由铜基催化剂传递的,但研究人员将其改造成了小型颗粒,并嵌入了导电聚合物Nafion中。Nafion是一种离子聚合物,现在主要用于燃料电池中的氢离子输运。
 
研究人员F. Pelayo García de Arquer说:“我们发现,将Nafion设计成特定形态,可以促进二氧化碳的传输。由此,气体能够快速抵达催化剂表面,并以足够分散的形式显著提高反应速率。”
 
在克服了反应物的汇聚限制后,新电解槽将二氧化碳转化为乙烯等产品的速度加快了近10倍。尽管电解槽技术得到了改进,但其距离商业化还很遥远。例如,研究人员必须保证催化剂在高电流密度下的稳定性。研究人员Cao-Thang Dinh说:“能以10倍速注入电子是一个好消息,但这只能维持大约10小时。这距离工业应用所需的数千小时的目标还很远。”Dinh正在继续研究稳定催化剂的新策略。例如,修饰Nafion的化学结构或者增加额外的保护层。其他项目成员也在计划应对其他方面的挑战(如催化剂的优化)。Wicks说:“虽然我们只以乙烯为例进行了研究,但其原理也可以应用于乙醇等其他有价值的化学产品的制备。”
 
以碳中和的方式生产燃料、建筑材料和其它产品,是人类降低化石燃料依赖度的重要举措之一。García de Arquer补充说:“即使人类不再使用石油作为主要能源,我们也需要乙烯、乙醇等产品。如果能利用二氧化碳和可再生能源生产这类分子,脱碳经济的发展将更具有实际意义。”
 
 
 
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