MIT科学家克服了二氧化碳转换中的一个主要瓶颈问题

2022年01月16日 08:18 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

研究揭示了将温室气体转化为燃料的一些尝试失败的原因,另外还提供了可能的解决方案。据了解,如果研究人员能够找到一种将二氧化碳化学转化为燃料或其他产品的方法,他们可能会在温室气体排放方面取得重大突破。

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然而,许多在实验室里看起来很有希望的此类工艺在适合用于发电厂或其他排放源的放大形式中却并没有达到预期的效果。

现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员已经确定、量化并模拟了此类转换系统性能不佳的一个主要原因。罪魁祸首原来是紧挨着用于催化转换的电极的二氧化碳气体的局部耗竭。研究小组发现,这个问题可以通过一种简单的方法来解决,即在特定的时间间隔以内脉冲方式关闭和开启电流,这样就能让气体有时间重新积聚到电极旁边的所需水平。

这些发现可能会刺激开发各种电化学二氧化碳转换系统的材料和设计的进展,该项研究成果则于2022年1月11日发表在《Langmuir》上,论文作者为MIT博士后Álvaro Moreno Soto、研究生Jack Lake和机械工程教授Kripa Varanasi。

Varanasi说道:“我认为,缓解二氧化碳是我们这个时代的重要挑战之一。”虽然该领域的大部分研究都集中在碳捕获和封存方面,即把气体泵入某种地下深层水库或转化为惰性固体如石灰石,但另一个有前景的途径是把气体转化为其他碳化合物如甲烷或乙醇用作燃料,或乙烯--作为有用聚合物的前体。

有几种方法可以进行这种转换,其中包括电化学、热催化、光热或光化学过程。Varanasi表示:“其中每一种都有问题或挑战。”他称,热过程需要非常高的温度且它们不会产生非常高价值的化学产品,这对光活化过程也是一个挑战,“效率总是在起作用,总是一个问题。”

据悉,该研究团队专注于电化学方法,目标是获得高碳产品--含有更多碳原子的化合物,由于其单位重量或体积的能量,往往是更高价值的燃料。在这些反应中,最大的挑战是遏制可能同时发生的竞争性反应,特别是水分子分裂成氧气和氢气。

当溶解有二氧化碳的液体电解质流经过带电的金属催化表面时,反应就会发生。但是,当二氧化碳被转化时,它在电解质流中留下了一个区域,在那里它基本上已经被用完,因此在这个耗尽的区域内的反应转向水的分裂。研究人员发现,这种不必要的反应消耗了能量并大大降低了转换过程的整体效率。

Varanasi说道:“有许多小组在研究这个问题,也有许多催化剂在那里。在所有这些中,我认为氢气的共同演化成为一个瓶颈。”

他们发现,抵消这种耗竭的一种方法可以通过脉冲系统来实现--简单地关闭电压、停止反应并让二氧化碳有时间扩散回耗竭区并再次达到可用的水平,然后恢复反应的一个周期。

研究人员称,通常情况下,一些团体已经找到了有前景的催化剂材料,但他们的实验室测试没有运行足够长的时间来观察这些耗竭效应,因此在试图扩大他们的系统时受到了挫折。此外,催化剂旁边的二氧化碳浓度决定了所制造的产品。因此,耗竭也会改变所生产的产品的组合并可能使该过程不可靠。“如果你想能够制造一个在工业规模上工作的系统,那么你需要能够长期运行东西,”Varanasi说道,“而且你需要没有这些种类的影响,降低工艺的效率或可靠性。”

该团队研究了三种不同的催化剂材--其中包括铜,并且“我们真正专注于确保我们理解并能够量化耗竭效应,”Lake表示。在这个过程中,他们能够开发出一种简单而可靠的方法,即通过测量系统电解液中不断变化的pH值(一种衡量酸度的标准)来监测转换过程的效率。

在他们的测试中,他们使用的是更为复杂的分析工具来表征反应产物,其中包括气相色谱分析气态产物及核磁共振表征该系统的液体产物。但他们的分析表明,在操作过程中对电极旁边的电解液进行简单的pH值测量就能充分衡量反应进行时的效率。

Moreno Sot指出,这种方便地实时监测反应的能力最终可能导致一个通过机器学习方法进行优化的系统,通过连续反馈控制所需化合物的生产速度。

研究人员称,现在这个过程被理解和量化了,这可能会开发出其他缓解二氧化碳消耗的方法,并且可以很容易地使用他们的方法进行测试。

Lake称,这项工作表明,在这样一个电催化系统中,无论使用催化剂材料是什么都会受到这个问题的影响,但现在,通过使用他们开发的模型,有可能准确地确定需要评估什么样的时间窗口以准确了解材料的整体效率及什么样的系统操作可以使其效率最大化。

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