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铜纳米粒子产生高效率的CO2转化为燃料

2018-05-14
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由二氧化碳转化为多碳产品(乙烯,乙醇和丙醇)的铜纳米粒子制成的新催化剂示意图。左上角是铜纳米粒子的透射电子显微镜图像。将纳米颗粒从球体转变为立方体状结构是保持反应能量输入低的关键。 (信贷:Dohyung Kim /伯克利实验室)

新的研究细节如何由铜纳米颗粒组成的电催化剂提供分解二氧化碳以形成乙烯,乙醇和丙醇所需的条件。 / em

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家已经开发出一种新型电催化剂,它可以使用低能量输入将二氧化碳直接转化为多碳燃料和醇类。这项工作是伯克利实验室开展的一系列研究中的最新成果,旨在解决创建能够充分利用二氧化碳的清洁化学制造系统的挑战。

在本周发表在美国国家科学院院刊上的这项新研究中,由伯克利实验室科学家杨培东领导的研究小组发现,由铜纳米颗粒组成的电催化剂为分解二氧化碳形成乙烯,乙醇提供了必要的条件和丙醇。

所有这些产品都含有二至三个碳原子,并且都被认为是现代生活中的高价值产品。乙烯是用于制造塑料薄膜和瓶子以及聚氯乙烯(PVC)管道的基本成分。乙醇通常由生物质制成,已经确立了其作为汽油生物燃料添加剂的地位。虽然丙醇是一种非常有效的燃料,但目前制造该产品的成本过高。

为了评估催化剂的能量效率,科学家们考虑了产物的热力学势能 - 在电化学反应中可以获得的能量的量 - 以及在足够的反应速率下驱动反应的热力学势能之上所需的额外电压量。额外的电压称为过电压;过电位越低,催化剂效率越高。

“现在在这个领域中制造能够从二氧化碳生产多碳产品的催化剂是相当普遍的,但是这些工艺通常在高达1伏特的超电势下运行以达到可观的量,”伯克利实验室材料科学部高级教授科学家杨说。 。 “我们在这里的报告更具挑战性。我们发现了一种在高电流密度下工作的二氧化碳还原催化剂,具有创纪录的低过电位,比典型的电催化剂低约300毫伏。“

立方体状的铜

研究人员利用X射线光电子能谱,透射电子显微镜和扫描电子显微镜结合了伯克利实验室分子铸造厂的电催化剂。

该催化剂由紧密堆积的铜球组成,每个铜球直径约7纳米,以密集的方式层压在碳纸的顶部。研究人员发现,在电解的最初阶段,纳米粒子团簇融合并转化为立方体状纳米结构。立方体形状的尺寸范围从10到40纳米。

研究主要作者Dohyung Kim是伯克利实验室化学科学部的研究生,也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的研究生。他说:“正是在这一过渡阶段之后,形成多碳产物的反应才发生。 “我们试图从预先形成的纳米铜立方体开始,但是这并没有产生大量的多边形产品。正是这种从铜纳米球到类立方体结构的实时结构变化,促进了多碳氢化合物和氧化物的形成。“

究竟是怎么回事还不清楚,杨说,他也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的教授。

“我们所知道的是,这种独特的结构为二氧化碳转化为多碳产品提供了有利的化学环境,”他说。 “类似立方体的形状和相关接口可能为二氧化碳,水和电子聚集在一起提供了一个理想的聚会场所。”

在二氧化碳到燃料的旅程中有许多路径

这一最新研究体现了过去几年中二氧化碳减排如何成为能源研究日益活跃的领域。人造光合作用不是利用太阳的能量将二氧化碳转化为植物性食物,而是寻求使用相同的起始成分来生产合成产品中常用的化学前体以及乙醇等燃料。

伯克利实验室的研究人员已经接受了这一挑战的各个方面,例如控制催化反应产生的产物。例如,2016年,开发了一种混合型半导体细菌系统,用于从二氧化碳和太阳光生产醋酸盐。今年早些时候,另一个研究小组使用光触媒将二氧化碳几乎全部转化为一氧化碳。最近报道了一种新型催化剂,用于有效生产合成气混合物或合成气。

研究人员还致力于提高二氧化碳减排的能源效率,使系统可以扩大用于工业用途。

最近由伯克利实验室人工光合作用联合研究中心的研究人员主持的一篇论文利用基础科学来展示如何优化整个系统的每个组成部分,以实现太阳能动力燃料生产的目标,并实现令人印象深刻的能源效率。

这项新的PNAS研究侧重于催化剂的效率,而不是整个系统,但研究人员指出,该催化剂可以连接各种可再生能源,包括太阳能电池。

“通过利用已经建立的其他组件的价值,例如商业太阳能电池和电解槽,我们分别针对二至三碳产品的电到产品和太阳能产品能效分别高达24.1%和4.3% “金说。

Kim估计,如果这种催化剂作为太阳能燃料系统的一部分加入到电解槽中,那么只有10平方厘米的材料每天可以生产约1.3克乙烯,0.8克乙醇和0.2克丙醇。

“随着太阳能燃料系统各个组件的不断改进,这些数据应该会随着时间的推移不断改进,”他说。

这项工作是通过由美国能源部科学办公室资助的伯克利实验室催化研究计划进行的。分子铸造厂是美国能源部科学用户设施办公室。

出版物:Dohyung Kim等人“铜纳米粒子集合用于将CO2选择性电还原成C2-C3”,PNAS,2017; doi:10.1073 / pnas.1711493114

来源:莎拉杨,伯克利实验室