催化能够拯救我们的公司吗₂问题吗?

地球有一个二氧化碳问题。在日常生活中,我们听到有限公司₂排放导致全球气温上升和前所未有的气候变化。人类活动正在抽一个约371亿吨的有限公司₂每年到空气中,几乎80%的直接来自化石燃料。虽然都在减少排放在一些发达国家增加排放的全球趋势,没有显示出放缓的迹象——事实上,2019年的预计最大的增长大气中有限公司₂记录以来的水平。如果这种情况继续下去,会议目标的机会在巴黎协议将缩小为零和不可逆转的气候混乱的幽灵将会成为一个可怕的现实。

全世界的科学家正在研究如何阻止这个问题——包括捕获有限公司₂由人类的活动。但是一旦被俘,我们怎样才能把有限公司₂形成很多过程的副产品好使用吗?有人说将其储存于地下,有人建议我们应该把它当作一种宝贵的资源,不应该被抛弃。公司已经将捕获的商业化技术有限公司₂成建筑材料,化肥甚至塑料。另一个建议是使用天然气直接增强石油复苏,尽管这个选项的绿色证书表示怀疑。

日益活跃的研究领域之一的目标是利用可再生电力将多余的有限公司₂到有价值的化学物质。把公司₂为燃料和原料不仅污染废物产品变成有用的东西,也可以减少我们对化石燃料的依赖,产生它放在第一位。我们要看到,如果我们从公司开始₂作为碳源,而不是石油碳源,我们能做什么样的化学和什么样的产品我们可以做,”说冯娇,一群研究电化学设备在特拉华大学的碳利用率。

这个过程通常是通过喂养的集中流有限公司₂成一个电解单元。的有限公司₂降低电极表面,根据电子转移的数量,一系列的分子。这些产品都是电解液中形成然后美联储分离系统,而电解质和未反应的CO₂被回收。常见的产品有一氧化碳、甲烷和甲酸。但更复杂的和有价值的产品,如乙醇和丙醇是可能的。

碳经济

焦进行了一个在深度分析大规模的经济有限公司₂电解还原,¹去年,美国参议院能源委员会作证对该技术的潜力。关键财务考量捕捉到公司的价格₂电解槽的材料和他们的寿命、产品净化,至关重要的是,电力驱动流程的成本。电力成本是重要的,这是经营总成本的70%,”笔记娇。这意味着,随着可再生能源发电的成本不断下降,electrocatalytic转换成有限公司₂成为一个诱人的前景。现在的模型表明,£0.03 /千瓦时的电力价格,有限公司₂电解还原成为一个竞争方法生产几个产品通常来源于化石燃料来源。在此背景下,陆上风电项目已经发电每千瓦时不到£0.05,与一些始终低于£0.03的目标。

公司的另一个好处₂例如,削减电解水来制造氢气是生成液态烃产品已经准备好提供给现有的能源、交通基础设施。娇也观察到,而电解槽技术目前在实验室里,在小范围内使用他们与生俱来的可伸缩的和适合公司₂源,如发电站或化工厂。“我相信这种技术可以实现在一个相对短的时间内,”他补充道。

所以技术真的能削弱的数量有限₂发布全球?焦估计需要1.5万亿瓦,相当于世界上8%的总能量输出,将有限公司₂公布的美国能源部门单独成最简单的产品。“当然,这是一个复杂的问题,你肯定不能把所有的电力和转换,因为其他地方需要电力,”他说。焦,但坚持认为需要停止使用化石燃料,再加上不断增长的可再生电力可用性,为电化学系统将创建一个独特的机会。但别忘了,电化有限公司₂转换只是途径解决公司的一部分₂排放问题,”焦补充道。他预测未来electrocatalytic方法作为套件的一部分技术——包括热化学和生物过程,解决我们的排放问题。

实现这一愿景将意味着找到解决很多问题。驱动所需的过电压过程必须下来,这需要更少的电力减少有限公司₂。提高转换效率也很重要——把更多的公司₂流经系统到宝贵的燃料和原料。这些需要在高浓度形成最小端产品,降低成本——金融和精力充沛的分离混合物。和产品本身需要改进,通过创建更复杂和更有价值的化学品的技术变得更经济、更大的投资回报。所有这些目标最近的发展取得了长足进步,加强交通的看法,这种技术在不久的将来将是可行的。

大量的工作现在是进入你可以扩大类型的分子。“最令人兴奋的材料有限公司₂电解社区可能是铜基催化剂,”娇解释道。这是因为这些能使碳碳键- - - - - -所以你可以使C₂甚至C₃化合物。乙烯是特别有吸引力,因为它可以用来使大量的化合物,而乙醇和丙醇可以作为燃料。

表面效果

主要方法需要公司₂首先被简化为有限公司,然后进一步反应。一个两步的过程似乎对电解槽技术的最可能的出路。然而,最近的一个报告显示金和铜串联催化剂金纳米粒子的生成一个高浓度的公司,然后进一步减少乙醇等醇类和n丙醇周围铜箔。²这个系统是C选择性100倍₂产品比单一碳甲烷和甲醇等产品。

催化剂的表面结构起着至关重要的作用。一个电极组成的铜纳米颗粒上纹理的石墨烯薄膜展示了从有限生成乙醇吗₂在选择性高达84%和其他地方,金刚石铜表面也被显示提高催化剂的稳定性和C₂一代产品。交通集团最近表明,谨慎选择铜表面暴露于2 d nanosheets可以抑制常见的副产品的形成而产生乙酸在高和选择性。

泰德·萨金特多伦多大学的领导一个小组,广泛调查的角色扮演催化剂的性能缺陷。他们最近开发的铜粒子特别定制的nanocavities鼓励丙醇的形成。³蛀牙有效陷阱C₂中间体迫使另一个碳。系统实现了丙醇选择性明显高于其他先进的催化剂。“这是一个真正的进步,这是一个令人印象深刻的感应电流的效率高,C₃产品和它显示了处理,减少杠杆点公司向3个碳产品,”萨金特说。该组织还表明,引入adparticles -集群low-coordinated原子在电极表面可以提供同样令人印象深刻的成果和萨金特认为,进一步发展将使生产C₄甚至在未来更长的碳链。

而能够让这些复杂的产品是一个明显的优势,创新也提高电解槽系统的效率。特别是,气体扩散电极克服问题造成公司的低溶解度在水溶液电解质和允许更高的转化率。这些电极将多孔层,气体通过在到达催化剂之前发送。萨金特的研究小组展示了一种催化剂形成的100 nm厚层铜沉积在碳基气体扩散层,使乙烯的生产有限公司₂与70%的选择性。⁴同时,交通的研究小组利用多孔电极系统中,提供了最快报道电解还原两个碳长,超出了公司的产品。然而,即使在这种情况下,只有26%的总股份进入细胞转换在一个通过。⁵

高耗油

一个工程解决转换问题可能已经存在。在另一个最近的研究斯坦福大学领导的研究小组马特Kanan转化流技术用于燃料电池产业、提高气体扩散。团队使用了一个互相交叉流场力尽可能多的气体的气体扩散层电极系统中生产醋酸钠从有限公司

“我们做的第一件事是真的试图最大化的运输公司到催化剂表面,同时产品的提取从催化剂,”Kanan解释道。然后第二件大事,我们玩电极之间的界面和其他细胞真正试图减少电解液的量我们可以生产浓缩液体产品流,”他补充道。公司的系统达到一个令人印象深刻的68%转换进入细胞在一个单一的通过。

除了日常流程的燃料和原料,这些公司₂电解槽有一天应用更远。Kanan集团正与美国国家航空航天局将有限公司₂在食品和饲料代替长期的太空任务。我们合作的关键是,你可以工程师微生物基质和产生各种各样的东西,有助于维持人类生命包括食物和营养素和维生素,”Kanan解释道。但由于某些原因你不能使用光合生物,只是不够高效使用光反应在空间。

支持在这些条件下,微生物Kanan的团队提出回收有限公司₂由航天员呼出。“事实证明,如果你能使一个C₂衬底,尤其是乙酸,有很多微生物,不仅可以增长,但是可以使用醋酸作为他们的碳和能量来源为生物合成和制造各种有用的东西,”Kanan说。

虽然这些进步是有前途的,还有工作要做。主要担心的是,大多数新研究只侧重于效率的细胞的减少。”作为一个社区,我们需要开始看总功率转换效率,因为我们的技术经济模型都表明你需要这个超过50%,大部分的设备,我们报告20 - 30%范围内,这些是最好的方法。萨金特说。的设计方法,以达到最大程度的选择性高电流,但在最低电压,仍然是一个优先任务。”

显示系统可以设计在更大的尺度和演示耐久性也将是一个相当大的挑战。焦的经济模式认为商业有限公司₂减少系统20年的寿命。但在实验室里我们可以仅仅测试一个星期,所以有很大差距,”他说。

之前无疑仍有障碍需要克服这个技术可以大规模使用,但使用清洁电能转换有限公司₂燃料和原料,可以快速集成与现有基础设施是一个重要的和可以实现的目标。字段是主要吸引学术界的兴趣,初创企业和政府机构和发展在未来几年将是至关重要的,如果技术是帮助拯救我们自己。