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新型电催化剂可以更有效地生产乙醇

2020-06-08 17:28:40来源:

近年来,世界各地的研究人员一直在探索生产乙醇的新方法。乙醇是一种广泛应用于各种工业环境的化合物。生产这种化合物的一种方法是通过所谓的二氧化碳电还原反应(CO2RR)。

虽然已经发现这种特殊的反应可以使二氧化碳转化为乙醇,但产生乙醇的法拉第效率和当前效率往往远未达到最佳。法拉第效率本质上是电子转移的电荷效率,并用于合成所需的化学产物乙醇。

多伦多大学(University of Toronto)的研究人员最近设计了一种策略,通过抑制二氧化碳的脱氧反应,使二氧化碳更有效地转化为乙醇。在他们发表在《自然能源》杂志上的论文中,他们建议使用一种特定的催化剂,以(52±1)%的法拉第效率和31%的阴极能源效率生产乙醇。

“我们项目的目标是提高对乙醇的选择性和它的产率,所有的都是在二氧化碳反应下,”薛王博士,多伦多大学泰德·萨金特教授团队的研究人员之一,他进行了这项研究,告诉TechXplore。“为了确定如何选择乙醇,我们需要首先考虑乙醇和乙烯之间的分支,乙烯是它的主要竞争产品。”

乙醇和乙烯共有一种中间衍生物,叫做HOCCH*。通过CO2RR反应生成乙醇而不是乙烯的关键因素是抑制了HOCCH*中C-O键的断裂。

萨金特教授和他的同事设计了一套催化剂,将氮掺杂碳(N-C/Cu)通过溅射沉积的方法覆盖在铜上。他们设计的催化剂利用了这样一个事实:在HOCCH,抑制脱氧促进了乙醇而不是乙烯的生产。

电子显微镜显示,铜层和N-C层之间的间隙通常小于1纳米;Ted Sargent教授告诉TechXplore。“在计算和模拟的帮助下,以及原位拉曼和x射线吸收,我们发现N-C层的限制在Cu催化剂上提供了强大的供电子能力,促进C-C耦合,同时抑制中间体HOCCH*去氧乙烯。”

Sargent教授、Wang博士和他们的同事设计的N-C/Cu催化剂的独特性能提高了乙醇的选择性。利用这些催化剂,研究人员在部分电流密度为156ma cm-2的情况下,以52%的法拉第效率将二氧化碳转化为乙醇。

王博士说:“在流动电池和膜电极组装系统中,乙醇的阴极能量效率(EE)和全电池能量效率(full cell EE)分别达到31%和16%。”“因此,我们的研究提供了一个新的平台,以提高高能量密度乙醇在高产率co2的选择性。”

这组研究人员引入的新催化剂可以使大规模更有效地生产乙醇。利用多伦多研究小组的电解槽方法生产的可再生乙醇有可能取代现有的生产乙醇的技术,从而产生碳足迹更大的化合物。

今天,乙醇的最大应用是作为发动机燃料和内燃机燃料添加剂。例如,在美国,E10(10%乙醇,有时被称为汽油酒精)和E85(85%乙醇)乙醇/汽油混合物广泛销售。因此,目前全球乙醇市场每年超过300亿美元。

萨金特教授说:“虽然这项工作是朝着正确方向迈出的重要一步,但还需要进一步的进展。”该领域的进一步研究将包括进一步提高所有用CO2RR生产的乙醇的选择性、产量、操作稳定性和能源效率(EE)。进一步提高效率仍然是我们的首要任务。”