铜纳米粒子产生高效的CO2到燃料转化 2017-07-14 07:18:16

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由碳纳米颗粒制成的新催化剂的示意图,其将二氧化碳转化为多元产物(乙烯,乙醇和丙醇)左上方是铜纳米颗粒的透射电子显微镜图像纳米颗粒从球体到立方体状结构的转化是关键保持反应的能量输入低(Credit:Dohyung Kim / Berkeley Lab)新的研究详细说明了由铜纳米颗粒组成的电催化剂如何提供分解二氧化碳以形成乙烯,乙醇和丙醇的必要条件科学家们能源公司的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)开发了一种新型电催化剂,可以使用创纪录的低能量输入将二氧化碳直接转化为多种燃料和醇类

这项工作是伯克利实验室针对创造一个可以使二氧化碳变好的清洁化学制造系统的挑战在本周发表于美国国家科学院院刊的新研究中,由伯克利实验室科学家Peidong Yang领导的研究小组发现,由铜纳米颗粒组成的电催化剂提供了分解二氧化碳形成乙烯所需的条件,乙醇和丙醇所有这些产品都含有2-3个碳原子,在现代生活中都被认为是高价值产品乙烯是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,常用的来自生物质,已经确立了其作为汽油的生物燃料添加剂的地位虽然丙醇是一种非常有效的燃料,但目前制造用于该目的的成本太高为了衡量催化剂的能量效率,科学家们考虑了它的热力学潜力

产品 - 在电化学反应中可以获得的能量 - 以及高于该值所需的额外电压量以足够的反应速率驱动反应的动力学潜力

额外的电压称为过电位;过电位越低,催化剂的效率越高“现在在这个领域制造能够从二氧化碳生产多种碳氢化合物产品的催化剂非常普遍,但这些工艺通常在1伏的高过电压下运行,以获得可观的量,”杨说,伯克利实验室材料科学部门的高级教师科学家“我们在这里报道的更具挑战性我们发现了一种在高电流密度下运行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”Cube-像铜一样,研究人员使用X射线光电子能谱,透射电子显微镜和扫描电子显微镜对伯克利实验室分子铸造厂的电催化剂进行了表征

催化剂由紧密堆积的铜球组成,每个直径约7纳米,层叠在密集包装的碳纸研究人员并且在电解的早期阶段,纳米颗粒簇融合并转变成立方体状纳米结构立方体形状的尺寸范围从10到40纳米“在这种转变之后,形成多碳产物的反应正在发生, “该研究的主要作者Dohyung Kim说,他是伯克利实验室化学科学部和加州大学伯克利分校材料科学与工程系的研究生

”我们试图从预先形成的纳米级铜立方体开始,但这并没有产生大量的多碳产品正是这种从铜纳米球到立方体结构的实时结构变化,促进了多碳氢化合物和含氧化合物的形成“正是如何发生这种情况仍然不清楚,杨博士说,他也是加州大学伯克利分校的教授材料科学与工程“我们所知道的是,这种独特的结构提供了一种有益的化学环境二氧化碳转化为多元化产品,“他说”立方体形状和相关界面可能是二氧化碳,水和电子结合在一起的理想聚会场所“二氧化碳燃料之旅的许多途径这项最新研究表明,在过去几年中,二氧化碳减排如何成为能源研究中日益活跃的领域 人工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像乙醇这样的燃料

伯克利实验室的研究人员已经采取了这一挑战的各个方面例如,控制催化反应产生的产品例如,在2016年,开发了一种混合半导体 - 细菌系统,用于从二氧化碳和太阳光中生产乙酸盐今年早些时候,另一个研究小组使用光催化剂转化二氧化碳几乎完全是一氧化碳最近,报道了一种新的催化剂用于合成气体混合物或合成气的有效生产研究人员还致力于提高二氧化碳减排的能源效率,以便系统可以扩大规模用于工业用途最近的论文由人工光合联合中心的伯克利实验室研究人员领导hesis利用基础科学来展示优化整个系统的每个组件如何以令人印象深刻的能源效率实现太阳能燃料生产的目标这项新的PNAS研究侧重于催化剂的效率而不是整个系统,但研究人员指出催化剂可以连接到各种可再生能源,包括太阳能电池“通过利用已经为其他组件建立的价值,例如商业太阳能电池和电解槽,我们预测电力到产品和太阳能到 - 产品能源效率分别高达241%和43%,分别为二至三碳产品,“Kim Kim估计,如果将这种催化剂作为太阳能燃料系统的一部分并入电解槽中,那么只需10平方厘米的材料即可生产每天约13克乙烯,08克乙醇和02克丙醇“随着太阳能燃料各个组分的不断改进系统,这些数字应该随着时间的推移不断改进,“他说,这项工作是通过伯克利实验室催化研究计划进行的,由美国能源部科学办公室资助

分子铸造厂是美国能源部科学办公室用户设施出版物:Dohyung Kim,等”铜用于选择性电还原CO2到C2-C3的纳米粒子集合,“PNAS,2017; doi:101073 / pnas1711493114资料来源:Sarah Yang,伯克利实验室