В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), команда во главе с ученым из Berkeley Lab Пейдонг Янгом обнаружила, что электрокатализатор, состоящий из наночастиц меди, обеспечивает условия, необходимые для разложения диоксида углерода с образованием этилен, этанол и пропанол.Все эти продукты содержат от двух до трех атомов углерода, и все они считаются ценными продуктами в современной жизни. Этилен — основной ингредиент, используемый для изготовления пластиковых пленок и бутылок, а также труб из поливинилхлорида (ПВХ).
Этанол, обычно производимый из биомассы, уже занял свое место в качестве добавки к биотопливу для бензина. Хотя пропанол является очень эффективным топливом, в настоящее время его производство слишком дорогое для использования для этой цели.Чтобы измерить энергоэффективность катализатора, ученые рассматривают термодинамический потенциал продуктов — количество энергии, которое может быть получено в электрохимической реакции, — и количество дополнительного напряжения, необходимого сверх этого термодинамического потенциала, чтобы запустить реакцию в достаточной степени. ставки. Это дополнительное напряжение называется перенапряжением; чем ниже перенапряжение, тем эффективнее катализатор.
«Сейчас в этой области довольно распространено производство катализаторов, которые могут производить полуглеродные продукты из CO2, но эти процессы обычно работают при высоком перенапряжениях в 1 вольт для достижения заметных количеств», — сказал Ян, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли. . «То, о чем мы здесь сообщаем, намного сложнее. Мы обнаружили катализатор для восстановления двуокиси углерода, работающий при высокой плотности тока с рекордно низким перенапряжением, которое примерно на 300 милливольт меньше, чем у обычных электрокатализаторов».Кубообразный медный катализатор
Исследователи охарактеризовали электрокатализатор в Молекулярной литейной лаборатории Беркли, используя комбинацию рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии.Катализатор состоял из плотно упакованных медных сфер, каждая диаметром около 7 нанометров, наложенных поверх углеродной бумаги плотно упакованным образом. Исследователи обнаружили, что в очень ранний период электролиза кластеры наночастиц сливались и превращались в кубические наноструктуры.
Размер кубов составлял от 10 до 40 нанометров.«Именно после этого перехода происходят реакции с образованием поликарбонатных продуктов», — сказал ведущий автор исследования Дохён Ким, аспирант Отделения химических наук лаборатории Беркли и Отделения материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы попытались начать с предварительно сформированных наноразмерных медных кубов, но это не дало значительных количеств мультикаглеродных продуктов. Именно это структурное изменение в реальном времени от медных наносфер к кубовидным структурам способствует образованию многоуглеродных углеводородов. и оксигенаты ».
По словам Янга, профессора факультета материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, до сих пор неясно, как именно это происходит.«Что мы знаем, так это то, что эта уникальная структура обеспечивает благоприятную химическую среду для преобразования СО2 в поликарбонатные продукты», — сказал он. «Кубовидные формы и соответствующий интерфейс могут быть идеальным местом встречи, где могут встретиться углекислый газ, вода и электроны».Множество путей перехода от CO2 к топливуЭто последнее исследование демонстрирует, как сокращение выбросов углекислого газа стало все более активной областью исследований в области энергетики за последние несколько лет.
Вместо того, чтобы использовать солнечную энергию для преобразования углекислого газа в растительную пищу, искусственный фотосинтез стремится использовать те же исходные ингредиенты для производства химических прекурсоров, обычно используемых в синтетических продуктах, а также в качестве топлива, такого как этанол.Исследователи из Berkeley Lab взяли на себя различные аспекты этой проблемы, такие как контроль продуктов, образующихся в результате каталитических реакций. Например, в 2016 году была разработана гибридная система полупроводник-бактерия для производства ацетата из CO2 и солнечного света.
Ранее в этом году другая исследовательская группа использовала фотокатализатор для преобразования почти исключительно двуокиси углерода в окись углерода. Совсем недавно было сообщено о новом катализаторе для эффективного производства смесей синтез-газа или синтез-газа.Исследователи также работали над повышением энергоэффективности сокращения выбросов углекислого газа, чтобы системы можно было масштабировать для промышленного использования.В недавней статье, подготовленной исследователями лаборатории Беркли из Объединенного центра искусственного фотосинтеза, используются фундаментальные науки, чтобы показать, как оптимизация каждого компонента всей системы может достичь цели производства топлива на солнечной энергии с впечатляющими показателями энергоэффективности.
Это новое исследование PNAS фокусируется на эффективности катализатора, а не всей системы, но исследователи отмечают, что катализатор можно подключить к различным возобновляемым источникам энергии, включая солнечные батареи.«Используя значения, уже установленные для других компонентов, таких как коммерческие солнечные элементы и электролизеры, мы прогнозируем эффективность преобразования электроэнергии в продукт и солнечной энергии в продукт до 24,1 и 4,3 процента для двух-трех углеродных продуктов, соответственно, "сказала Ким.По оценкам Кима, если бы этот катализатор был включен в электролизер как часть солнечной топливной системы, материал размером всего 10 квадратных сантиметров мог бы производить около 1,3 грамма этилена, 0,8 грамма этанола и 0,2 грамма пропанола в день.
«С постоянным улучшением отдельных компонентов солнечной топливной системы, эти цифры должны со временем улучшаться», — сказал он.