讓二氧化碳高效率回收轉換,可靠這種新開發的銅電催化劑

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 22 日 9:15 | 分類 太陽能 , 奈米 , 尖端科技 follow us in feedly

化學家們認為二氧化碳最理想的回收轉換方式,莫過於借助太陽能源電解,再加上適當的電催化劑來進一步降低能量耗費。這年頭,用催化劑來將二氧化碳轉化成多碳產品的手法已經很普遍了,不過美國國家實驗室這一次成功開發出的新型電催化劑,不只可以回收二氧化碳並直接轉換出乙醇、乙烯,還能提高整體轉化效率,雖然是假的人工光合作用,但終究是贏過天然植物了。



不是只有植物可以行光合作用來幫忙分解人類製造的過量二氧化碳,美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室最近在《美國國家科學院院刊》上發表最新研究,旗下團隊開發出一種由銅奈米粒子組成的新型電催化劑,其銀-銅奈米陰極可以將二氧化碳還原為碳氫化合物和含氧化合物,氧化銥奈米陽極則可以氧化水並產生氧,也就是說,可以直接將二氧化碳轉為目標產品乙烯、乙醇、丙醇,不同於相同領域內的早期技術只能將二氧化碳轉為燃料前體。

研究人員將電極連接到矽光伏電池後還發現,如果將太陽能電池配置改為串聯,則在太陽光下照射 1 次,碳氫化合物和含氧化合物的轉化效率可達到 5% 以上。

乙烯、乙醇和丙醇都被認為是現代生活中的高價值產品,每個分子裡都含有 2~3 個碳原子。乙烯是製造塑料膜、塑膠瓶及硬性聚氯乙烯(PVC)的基本成分;通常由生物質製成的乙醇已經取得汽油生物燃料添加劑的主要地位;丙醇則是非常有效的燃料,雖然製造成本太高。

為了解效率提升的機轉,透過 X 射線光電子光譜法(X-ray photoelectron spectroscopy)、穿透電子顯微術(transmission electron microscopy)和掃描電子顯微法(scanning electron microscopy)對電催化劑進行分析後,研究人員發現銀有助於將二氧化碳還原成一氧化碳,而銅再進一步將一氧化碳還原成烴類和醇類。

這種電催化劑的特色在於它由緊密堆積的銅球組成,每個銅球直徑約 7 奈米,在碳指頂層填充,隨後研究人員發現,在電解的早期階段,球體會融合轉變成尺寸約 10~40 奈米的立方體結構,在這個「轉型」過程中,促進了碳氫化合物和含氧化合物的形成。加州大學柏克萊分校材料科學工程系教授 Peidong Yang 表示,這種獨特的立方體結構可以為二氧化碳轉化為多碳產品提供有利的化學環境,就像是在幫二氧化碳、水和電子提供一個理想的聚會地點一樣。

▲ 在電解的早期階段,奈米銅球體會融合變成尺寸約 10~40 奈米的立方體結構,促進碳氫化合物和含氧化合物的形成。(source:Dohyung Kim/勞倫斯伯克利國家實驗室

而為了評估這種電催化劑的效率,團隊需要同時考量電化學轉化過程中可以獲得多少能量,以及需要多少額外電壓來驅動反應,這種額外電壓稱為過電位(overpotential),會影響電極反應的速率,當過電位越低,催化劑效率越高。

目前,用催化劑來將二氧化碳轉化成多碳產品的手法很普遍,但因為二氧化碳是很頑固的分子,所以加工過程通常必須在高達 1 伏特的電壓下運行才能生產出具經濟效益的產量。伯克利國家實驗室團隊的系統比較高竿,他們優化光伏電化學系統中的每個組件,使其在高電流密度(high current density)中運行卻有創紀錄的低過電位,比典型的電催化劑還要低大約 300 毫伏。

(首圖來源:Clarissa Towle/勞倫斯伯克利國家實驗室)