作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/21 12:55:37
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二氧化碳高效“变身”燃料 关键靠它
——新型催化剂实现高效电催化还原CO2制乙烯和乙醇

 

化石燃料的消耗,既导致大气中的二氧化碳含量不断增加,带来全球温室效应,又使得化石资源日益枯竭,带来能源短缺。若让CO2“变身”成高值化学品和燃料,那将会“一举两得”。

厦门大学化学化工学院教授王野团队与程俊团队合作发展出氢助碳碳偶联的新方法,并设计合成出氟修饰的铜催化剂,可实现高效电催化还原CO2制乙烯和乙醇,为推进电催化还原CO2走向工业应用奠定了重要的科学基础。相关研究成果于4月20日在线发表于《自然-催化》杂志。

电催化转化显优势

CO2资源化利用已成为当前各国研究的热点话题,其中,电催化转化CO2是备受关注的一条技术途径。

“利用太阳能等可再生资源产生的电能,将CO2催化转化为高值化学品和燃料,对建立可持续的碳循环和缓解能源危机具有重要意义,这也是‘液态阳光’的重要目标之一。”论文通讯作者之一的王野告诉《中国科学报》。

与其他CO2催化转化方式相比,电催化转化CO2有着诸多优势。

王野介绍,在CO2转化时需要有加氢过程,但传统的热催化CO2加氢过程一般需要高温高压的反应条件,且需要消耗昂贵的氢气。同时,反应中间体易经不可控的聚合机理实现C-C偶联,这使得C2+产物分布难以集中,特定目标产物选择性低,并伴有大量CO和CH4生成。

而电催化还原CO2可以直接以水作为氢源,利用可再生电能,实现温和条件下的CO2和H2O的共还原生成C2+产物。相对热催化,电催化经过不同的C-C偶联机理实现CO2的还原偶联,可对C-C偶联过程进行更好的调控。

目前,电催化还原CO2制C2+化合物尽管已经取得一些进展,可以较高选择性地获得特定C2+产物,不过,这一高选择性通常仅能在较低活性下实现,使得工业生产中十分关注的C2+收率难以提高。如何破解同时实现电催化还原CO2过程中“高活性和高选择性”是一大难题。

实现CO2利用“双高”

研究人员通过研发两大“神器”来“助攻”——CO2电催化还原新方法和新催化剂。

论文作者之一的谢顺吉向《中国科学报》介绍,他们针对电催化还原CO2中高CO2还原法拉第效率的催化剂活性低的问题,提出了适当提高催化剂活化水的能力对增加CO2还原活性的重要性。按照这一思路,他们发展出氢助碳碳偶联的新方法,并设计合成出氟修饰的铜(F-Cu)催化剂,两者结合,实现了电催化还原CO2制乙烯和乙醇性能的突破。

研究结果显示,该催化剂在具有气体扩散电极的流动电解池中,80%的C2+产物(主要为乙烯和乙醇)法拉第效率下,可以实现1.6 A cm-2的高电流密度,突破了目前的极限,且催化剂在40小时的稳定性测试过程中保持稳定。此外,可在C2-4选择性为85.8%时获得16.5%的单程收率,其中乙烯和乙醇选择性和单程收率分别达80.2%和15.4%。

值得一提的是,与传统高温、高压下的CO2催化加氢性能相比,该方法在相当的转化率下可以获得更高的产物选择性和单程收率。此外,结合DFT和原位红外研究,研究人员还揭示了新的C-C偶联机理,打破了传统的*CO二聚生成C2+产物的认识。

“该研究不仅为CO2高效电催化还原催化剂的设计提供了新策略,同时‘氢助碳碳偶联’新机理的发现也为调控C2+产物选择性提供了新方法。”王野说。

应用任重道远

该催化剂体系在一定程度上实现了“三高”,即高电流密度、高C2+选择性、高稳定性,整体性能已经显示出实际应用潜力。

在研究人员看来,该研究使用的气体扩散电极在碱性条件下表现出易水淹和失去疏水性的问题,未来还需要进一步提高碱性气体扩散电极的稳定性。此外,该研究主要关注阴极CO2还原反应,阳极H2O氧化的效率还较低,还需耦合更高效的阳极催化剂,提高全电池的能量利用效率。

大气中CO2浓度已从19世纪末期的280 ppm增加至目前的400 ppm,在减排的同时,发展降低或利用CO2的技术已是刻不容缓。“不过,要走向工业化,还需要解决催化剂的长时间稳定性问题,此外,电催化过程的工程化问题、CO2的捕获成本、电费成本等经济性也需要考虑。工业化道路依然任重道远。”王野说。

相关论文信息:DOI:10.1038/s41929-020-0450-0

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-020-0450-0

 
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