В новом исследовании, опубликованном на этой неделе на Слушаниях Национальной академии наук (PNAS), команда во главе с ученым Berkeley Lab Пейдонгом Янгом обнаружила, что электрокатализатор, составленный из медных наночастиц, обеспечил условия, необходимые, чтобы расщепить углекислый газ, чтобы сформировать этилен, этанол и propanol.Все те продукты содержат два – три атома углерода, и всех считают продуктами высокой стоимости в современной жизни. Этилен – основной компонент, используемый, чтобы сделать пластмассовые пленки и бутылки, а также поливинилхлорид (ПВХ) трубы. Этанол, обычно делаемый из биомассы, уже установил свое место как добавку биотоплива для бензина.
В то время как propanol – очень эффективное топливо, это в настоящее время слишком дорогостоящее, чтобы произвести, чтобы использоваться с этой целью.Чтобы измерить энергоэффективность катализатора, ученые рассматривают термодинамический потенциал продуктов – сумма энергии, которая может быть получена в электрохимической реакции – и количество дополнительного напряжения, необходимого выше того термодинамического потенциала, чтобы стимулировать реакцию по достаточным темпам реакции. То дополнительное напряжение называют сверхпотенциалом; чем ниже сверхпотенциал, тем более эффективный катализатор.«Теперь довольно распространено в этой области сделать катализаторы, которые могут произвести мультиуглеродные продукты из CO2, но те процессы, как правило, работают в высоких сверхпотенциалах 1 В, чтобы достигнуть заметных сумм», сказал Янг, главный ученый способности из Подразделения Материаловедения Berkeley Lab. «О чем мы сообщаем, здесь намного более сложно.
Мы обнаружили катализатор для сокращения углекислого газа, работающего в плотности тока высокого напряжения с рекордно низким сверхпотенциалом, который является приблизительно 300 милливольтами меньше, чем типичные электрокатализаторы».Подобный кубу медный катализаторИсследователи характеризовали электрокатализатор на Молекулярном Литейном заводе Berkeley Lab, используя комбинацию спектроскопии фотоэлектрона рентгена, микроскопии электрона передачи, и просмотрев электронную микроскопию.Катализатор состоял из плотно упакованных медных сфер, каждый приблизительно 7 миллимикронов в диаметре, выложенном слоями сверху копировальной бумаги плотно упакованным способом.
Исследователи сочли это в очень ранний период электролиза, группы наночастиц сплавленным и преобразованным в подобные кубу наноструктуры. Подобные кубу формы расположились в размере от 10 до 40 миллимикронов.
«Это после этого перехода, что реакции сформировать мультиуглеродные продукты происходят», сказал, исследование приводят автора Дохюнга Кима, аспиранта в Химическом Научном Подразделении Berkeley Lab и в Отделе УКА Беркли Материаловедения и Разработки. «Мы пытались начаться с предварительно сформированными наноразмерными медными кубами, но это не привело к существенному количеству мультиуглеродных продуктов. Именно это структурное изменение в реальном времени от медных наносфер до подобных кубу структур облегчает формирование мультиуглеродных углеводородов и окисляет».Точно то, как это происходит, все еще неясно, сказал Янг, который является также преподавателем в Отделе УКА Беркли Материаловедения и Разработки.«Что мы знаем, то, что эта уникальная структура обеспечивает выгодную химическую окружающую среду для преобразования CO2 в мультиуглеродные продукты», сказал он. «Подобные кубу формы и связанный интерфейс могут обеспечивать идеальное место для собраний, где углекислый газ, вода и электроны могут объединиться».
Много путей в поездке CO2 к топливуЭто последнее исследование иллюстрирует, как сокращение углекислого газа стало все более и более активной областью в энергетическом исследовании в течение последних нескольких лет. Вместо того, чтобы использовать энергию солнца преобразовать углекислый газ в пищу растительного происхождения, искусственный фотосинтез стремится использовать те же самые стартовые компоненты, чтобы произвести химических предшественников, обычно используемых в синтетических продуктах, а также топливе как этанол.
Исследователи в Berkeley Lab взяли различные аспекты этой проблемы, такие как управление продуктом, который выходит из каталитических реакций. Например, в 2016, гибридная система полупроводниковых бактерий была разработана для производства ацетата от CO2 и солнечного света. Ранее в этом году другая исследовательская группа использовала фотокатализатор, чтобы преобразовать углекислый газ почти исключительно в угарный газ. Позже, о новом катализаторе сообщили для эффективного производства смесей газа синтеза или синтетического газа.
Исследователи также работали над увеличением энергоэффективности сокращения углекислого газа так, чтобы системы могли быть расширены для промышленного использования.Недавняя статья во главе с исследователями Berkeley Lab в Совместном Центре Искусственного Фотосинтеза усиливает фундаментальную науку, чтобы показать, как оптимизация каждого компонента всей системы может достигнуть цели производства топлива на солнечной энергии с впечатляющими показателями энергоэффективности.Это новое внимание исследования PNAS на эффективность катализатора, а не всей системы, но исследователей указывает, что катализатор может быть зацеплен до множества возобновляемых источников энергии, включая солнечные батареи.«Используя ценности уже установил для других компонентов, таких как коммерческие солнечные батареи и электролизеры, мы проектируем электричество к продукту и солнечную к продукту энергоэффективность до 24.1 и 4,3 процентов для два к трем углеродных продуктов, соответственно», сказал Ким.
Ким оценивает, что, если этот катализатор был включен в электролизер как часть солнечной топливной системы, материальные только 10 квадратных сантиметров могли произвести приблизительно 1,3 грамма этилена, 0,8 грамма этанола и 0,2 грамма propanol день.«С длительными улучшениями отдельных компонентов солнечной топливной системы те числа должны продолжать улучшаться со временем», сказал он.