西北大学新催化剂将二氧化碳转化为可持续的副产品
新催化剂将二氧化碳转化为可持续的副产品
西北大学的研究人员与一个国际合作者团队合作，利用从捕获的碳中提取的一氧化碳制造乙酸。
需要捕获二氧化碳并将其运输以进行永久储存或转化为有价值的最终用途，这是最近在两党基础设施法中确定的一项国家优先事项，旨在到 2050 年实现温室气体净零排放。
现在，西北大学的研究人员与一个国际合作团队合作，用捕获的碳中的一氧化碳制造乙酸。这项创新使用了泰德萨金特教授实验室创造的新型催化剂，可能会激发人们对碳捕获和储存的新兴趣。
“从技术角度来看，碳捕获在今天是可行的，但从经济角度来看还不可行，”萨金特说。“通过使用电化学将捕获的碳转化为具有成熟市场的产品，我们提供了改善这些经济性的新途径，并为我们仍然需要的工业化学品提供了更可持续的来源。”
该论文今天发表在《自然》杂志上。
论文的通讯作者萨金特是西北大学温伯格艺术与科学学院的林恩·霍普顿·戴维斯和格雷格·戴维斯化学教授，麦考密克工程学院电气与计算机工程教授。他的团队在使用电解槽（电力驱动所需化学反应的设备）将捕获的碳转化为关键的工业化学品（包括乙烯和丙醇）方面有着良好的记录。
尽管醋酸作为家用醋中的关键成分可能是人们最熟悉的，但多伦多大学最近的博士学位。该论文的四位共同主要作者之一、收件人乔什·威克斯 (Josh Wicks) 表示，这种用途仅占其用途的一小部分。
“醋中的乙酸需要通过发酵来自生物来源，因为它被人类消耗，”威克斯说。“但大约 90% 的乙酸市场用于制造油漆、涂料、粘合剂和其他产品的原料。这种规模的生产主要来自甲醇，而甲醇来自化石燃料。”
生命周期评估数据库显示，该团队使用甲醇生产每千克乙酸，该过程会释放 1.6 千克二氧化碳。
他们的替代方法通过两步过程进行：首先，捕获的气态 CO2 通过电解槽，在那里它与水和电子反应形成一氧化碳 (CO)。气态 CO 然后通过第二个电解槽，在那里另一种催化剂将其转化为包含两个或多个碳原子的各种分子。
“我们面临的一个主要挑战是选择性，”Wicks 说。“用于第二步的大多数催化剂促进了多个同时发生的反应，这导致难以分离和纯化的不同双碳产物的混合物。我们在这里试图做的是设置有利于一种产品高于所有其他产品的条件。”
该论文的另一位资深作者、亚伯拉罕·哈里斯材料科学与工程教授维纳亚克·德拉维德 (Vinayak Dravid ) 是西北大学原子和纳米表征(NUANCE) 中心的创始主任，该中心使团队能够获得原子和电子的各种能力- 材料的尺度测量。
“现代研究问题复杂且多方面，需要多样化但综合的能力来分析材料到原子尺度，”Dravid 说。“像 Ted 这样的同事向我们提出了具有挑战性的问题，这些问题激发了我们的创造力，从而开发出新颖的想法和创新的表征方法”。
该团队的分析表明，与以前的催化剂相比，使用更低比例的铜（约 1%）将有利于仅生产乙酸。它还表明，将压力提高到 10 个大气压将使团队能够实现破纪录的效率。
在这篇论文中，该团队报告了 91% 的法拉第效率，这意味着每 100 个电子中有 91 个被泵入电解槽，最终会产生所需的产品——在本例中为乙酸。
“这是我们所见报道的可扩展电流密度下任何多碳产品的最高法拉第效率，”Wicks 说。“例如，以乙烯为目标的催化剂通常会达到 70% 至 80% 左右的最大值，因此我们远高于此。”
新催化剂似乎也相对稳定：虽然一些催化剂的法拉第效率会随着时间的推移而降低，但该团队表明，即使在运行 820 小时后，它仍保持在 85% 的高水平。
Wicks 希望导致团队成功的要素——包括新颖的目标产品、略微增加的反应压力以及催化剂中较低比例的铜——能够激发其他团队跳出固有思维模式。
“其中一些方法违背了该领域的传统智慧，但我们证明它们可以非常有效，”他说。“在某个时候，我们将不得不对化学工业的所有元素进行脱碳处理，因此我们获得有用产品（无论是乙醇、丙烯还是乙酸）的途径越多越好。”
留学方案申请