來(lái)源：材料人網(wǎng)

 

科學(xué)家現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種新的電催化劑，該催化劑可通過(guò)史上最低的能源投入直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為更多碳燃料和醇類。這項(xiàng)工作旨在創(chuàng)造清潔的化學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分利用二氧化碳并發(fā)揮其效能。

 

 

【圖注】由銅納米顆粒制成新催化劑的示意圖，該銅納米顆粒即由二氧化碳轉(zhuǎn)化成的多碳產(chǎn)物（包括乙烯，乙醇和丙醇）。左上圖是銅納米粒子的透射電子顯微鏡圖像，將納米顆粒從球體轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎襟w結(jié)構(gòu)是在反應(yīng)中將能量輸入保持最低的關(guān)鍵。

 

能源部Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）科學(xué)家們的此項(xiàng)研究工作是Berkeley實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究的最新進(jìn)展，該項(xiàng)研究旨在創(chuàng)建清潔的化學(xué)制造系統(tǒng)，從而使二氧化碳得到很好的利用。在本周美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）發(fā)表的新研究中，由Berkeley實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家楊培東帶領(lǐng)的研究小組發(fā)現(xiàn)，由銅納米粒子組成的電催化劑提供了分解二氧化碳所需的產(chǎn)物條件，例如乙烯，乙醇和丙醇。

 

這些產(chǎn)品都含有2-3個(gè)碳原子，并且都被認(rèn)為是現(xiàn)代生活中的高價(jià)值產(chǎn)品。乙烯是用于制造塑料膜、瓶子以及聚氯乙烯（PVC）管道的基本成分，而乙醇則通常由生物質(zhì)制成，其已經(jīng)占據(jù)了汽油生物燃料添加劑的地位。雖然丙醇是非常有效的燃料，但是其應(yīng)用成本太高。

 

為了衡量催化劑的能量效率，科學(xué)家們考慮到產(chǎn)品的熱力學(xué)潛力（即電化學(xué)反應(yīng)中可以獲得的能量），以及驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的熱力學(xué)潛力所需的額外電壓量率。該額外電壓稱為超電勢(shì)，該超電勢(shì)越低，催化劑效率越高。

 

Berkeley實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部高級(jí)科學(xué)家楊教授說(shuō)：“在當(dāng)前的研究領(lǐng)域中，通常可以利用二氧化碳制造催化劑，這種催化劑可以生產(chǎn)出多碳二烯產(chǎn)品，但這些工藝通常以1伏的高電壓運(yùn)行，以達(dá)到可觀的電壓量。此時(shí)的報(bào)道更具挑戰(zhàn)性，我們發(fā)現(xiàn)了一種二氧化碳還原催化劑，在高電流密度下運(yùn)行，僅需提供史上最低的電壓，比典型的電催化劑低了大約300毫伏。

 

 

研究人員使用X射線光電子能譜，透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的表征組合，對(duì)Berkeley Lab的Molecular Foundry的電催化劑進(jìn)行了表征。催化劑由緊密堆積的銅球組成，每個(gè)直徑約為7納米，以密集填充的方式分層在碳紙的頂部。研究人員發(fā)現(xiàn)，在電解的早期階段，納米顆粒簇融合并逐步轉(zhuǎn)變成立方體納米結(jié)構(gòu)，立方體形狀的尺寸范圍為10至40納米。

 

研究主管作者Dohyung Kim博士說(shuō)：“在這種轉(zhuǎn)型之后，立即形成多碳產(chǎn)品的反應(yīng)。我們?cè)噲D從預(yù)先形成的納米尺寸銅立方體開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，但是沒(méi)有產(chǎn)生大量的多碳三聚氰胺產(chǎn)品，這是從銅納米球到立方體結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)變化，促進(jìn)了多碳?xì)浠衔锖秃趸衔锏男纬?rdquo;。我們所知道的是，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為二氧化碳轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)品提供了有利的化學(xué)環(huán)境，”該博士說(shuō)，“立方體形狀和相關(guān)表面可能會(huì)提供一個(gè)理想的交匯點(diǎn)，使二氧化碳，水和電子可以聚在一起。”

 

 

這項(xiàng)最新研究表明，二氧化碳減排在能源研究方面已經(jīng)成為日益活躍的領(lǐng)域。人造光合作不是利用太陽(yáng)的能量將二氧化碳轉(zhuǎn)化為植物食物，而是使用相同的起始成分來(lái)生產(chǎn)合成產(chǎn)物中的化學(xué)前體以及乙醇等燃料。

 

Berkeley實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)解決了多方面的挑戰(zhàn)，例如控制催化反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物，并在2016年，開(kāi)發(fā)了用于從CO 2和陽(yáng)光生產(chǎn)乙酸鹽的混合半導(dǎo)體細(xì)菌系統(tǒng)。以及上半年，另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用光催化劑將二氧化碳幾乎完全轉(zhuǎn)化為一氧化碳。甚至最近，為了有效地生產(chǎn)合成氣以及混合物，該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種新的催化劑。

 

該實(shí)驗(yàn)室地研究人員還致力于提高二氧化碳減排的能源效率，以便使得該系統(tǒng)擴(kuò)大工業(yè)化。由Berkeley實(shí)驗(yàn)室研究人員在人工光合作用聯(lián)合中心發(fā)表的最近一篇文章中，他們利用基礎(chǔ)科學(xué)來(lái)展示如何優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，以令人印象深刻的能源效率實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)的工業(yè)目標(biāo)。

 

這項(xiàng)新的PNAS研究側(cè)重于催化劑的效率而不是整個(gè)系統(tǒng)，但研究人員指出，該催化劑可以連接到各種可再生能源，包括太陽(yáng)能電池。“通過(guò)利用已經(jīng)為其他組件（如商業(yè)太陽(yáng)能電池和電解器）構(gòu)造的使用價(jià)值，我們分別將電子產(chǎn)品和太陽(yáng)能、以及產(chǎn)品的能源效率分別提高到二至三碳產(chǎn)品的24.1％和4.3％ ”，Kim說(shuō)道。

 

Kim估計(jì)，若將該催化劑作為太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)的一部分并入電解槽中，那么只有10平方厘米的材料可以每天產(chǎn)生約1.3克乙烯，0.8克乙醇和0.2克丙醇。他說(shuō)：“隨著太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)個(gè)別部件的不斷改善，這些數(shù)字會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷改善。”