期待已久的进步了解二氧化碳转换成Electrofuels
科学家们一直在寻找方法将丰富的二氧化碳转化为有用的产品,如化学品和燃料。早在1869年,他们能够electrocatalytically将二氧化碳转换成甲酸。在过去的二十年里,地球大气层中二氧化碳的崛起大大加速研究二氧化碳转换使用可再生能源,包括太阳能、风能和潮汐。因为这些资源intermittent-the太阳不再闪耀,每一天,也没有风不断blow-how储存可再生能源安全、成本效益是一个主要的挑战。
最近的研究在electrocatalytic二氧化碳转换点使用二氧化碳作为原料和合成的可再生电力作为能源供应不同种类的燃料和增值乙烯等化学物质,乙醇和丙烷。但科学家仍不理解甚至这些reactions-CO2激活的第一步,或转换的线性二氧化碳分子在催化剂表面上接受第一个电子。知道的确切结构活化二氧化碳是至关重要的,因为它的结构决定了最终产品的反应和能源成本。这个反应可以从许多初始步骤,通过许多途径,给一般的混合产品。如果科学家找出流程是如何工作的,他们将能更好地有选择性地促进或抑制某些途径,这将导致一个商业上可行的催化剂技术的发展。
哥伦比亚大学工程研究人员今天宣布他们解决谜题的第一块已经证明二氧化碳电解还原开始于一个共同的中间,不像一般认为两个。他们采取一套综合的实验和理论方法确定结构的第一个中间的二氧化碳电解还原:羧酸盐二氧化碳−与C和附着在表面O原子。他们的突破,今天在线发表在《美国国家科学院学报》上,通过应用表面增强喇曼散射(ser)而不是更频繁地使用表面增强红外光谱(SEIRAS)。光谱的结果证实了量子化学建模。
“我们的研究结果对二氧化碳的活化会打开门一个非常广泛的可能性:如果我们能充分理解二氧化碳电解还原,我们就能减少我们对化石燃料的依赖,有助于减缓气候变化,”论文的第一作者Irina Chernyshova说,副研究员,地球与环境工程系。“此外,我们洞察二氧化碳活化在固体水界面将使研究人员能够更好的模型从二氧化碳生命起源以前的场景复杂的有机分子,可能导致地球上生命的起源。”
他们决定使用ser而不是SEIRAS他们的观察,因为他们发现ser有几个显著的优势,使更准确的识别反应中间体的结构。最重要的是,研究人员能够测量振动光谱electrode-electrolyte接口以及物种形成的整个光谱范围和操作电极(做法)。使用量子化学模拟和常规电化学方法,研究人员能够获得第一个详细看看electrode-electrolyte界面二氧化碳被激活。
理解中间第一反应的本质是关键一步的商业化electrocatalytic二氧化碳转化为有用的化学物质。它创建一个坚实的基础对于远离合理的催化剂设计的试错范式。说:“这些知识和计算能力,论文的合著者Sathish Ponnurangam, Somasundaran前研究生和博士后的实验室现在是化工和石油工程助理教授卡尔加里大学的加拿大,”研究人员能够预测更准确地反应在不同的催化剂和指定最有前途的,可进一步合成和测试。”
“哥伦比亚工程实验提供这样的细节,我们应该能够获得非常明确的计算模型的验证,”威廉•戈达德说查尔斯和玛丽Ferkel教授化学、材料科学、物理学和应用在加州理工学院,他并没有参与这项研究。“我希望与我们的理论,哥伦比亚工程实验将提供精确的机制建立和检查机制如何改变为不同的合金,表面结构、电解质添加剂,应该启用优化electrocatalysts水吐痰(太阳能燃料)、二氧化碳减少燃料和有机原料,N2还原NH3获得更少的昂贵的化肥,所有社会面临的关键问题获取能源和食品,以适应我们的人口爆炸。”
电催化作用以及光催化(所谓的人工光合作用)是最有前途的方法实现可再生能源的有效存储。电解还原二氧化碳捕捉想象力的研究已有150多年,因为其光合作用的相似性。就像植物将阳光转换成化学能,催化剂将可再生能源提供的电子转换成化学能储存在减少产品的二氧化碳。除了应用程序为可再生能源,电催化技术也可能使载人火星任务和殖民地的回程提供燃料和碳质化学物质的二氧化碳占地球大气的95%。
“我们希望我们的研究结果和方法将刺激如何使工作更快和更低的能量消耗不仅electrocatalytic还光催化二氧化碳减少,“说Ponisseril Somasundaran, LaVon Duddleson Krumb教授矿物工程、地球和环境工程系。“在后一种情况下,催化剂使用阳光直射减少二氧化碳。虽然这两种方法是实验不同的显微镜下相似开始激活的二氧化碳在催化剂表面的电子转移。在这一点上,我相信这两个方法将主宰未来。”
团队目前正在发现后续反应步骤看到二氧化碳是如何进一步改造和发展优良催化剂基于地球上充足的元素如铜和锡。
这篇文章被转载材料所提供的在纽约的哥伦比亚大学。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。
参考
Irina诉Chernyshova Ponisseril Somasundaran, Sathish Ponnurangam。难以捉摸的起源第一中间的二氧化碳电解还原。美国国家科学院院刊》上,2018;201802256 DOI: 10.1073 / pnas.1802256115。
