二氧化碳 (CO2) 是燃燒化石燃料的產(chǎn)物，也是最普遍的溫室氣體，有可能可持續(xù)地轉(zhuǎn)化回有用的燃料。將 CO2排放物轉(zhuǎn)化為燃料原料的一種有前途的途徑是稱為電化學(xué)還原的過(guò)程。但要在商業(yè)上可行，該過(guò)程需要改進(jìn)，以選擇或生產(chǎn)更多數(shù)量的所需富碳產(chǎn)品。
現(xiàn)在，正如《自然能源》雜志報(bào)道的那樣，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一種新方法來(lái)改進(jìn)用于輔助反應(yīng)的銅催化劑的表面，從而提高了該工藝的選擇性。
“雖然我們知道銅是該反應(yīng)的最佳催化劑，但它對(duì)所需產(chǎn)物的選擇性并不高，”伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部高級(jí)科學(xué)家兼加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)工程教授亞歷克西斯貝爾說(shuō)。“我們的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)你可以利用催化劑的當(dāng)?shù)丨h(huán)境做各種技巧來(lái)提供這種選擇性。”
在之前的研究中，研究人員已經(jīng)建立了精確的條件，為創(chuàng)造具有商業(yè)價(jià)值的富碳產(chǎn)品提供了最佳的電氣和化學(xué)環(huán)境。但這些條件與使用水基導(dǎo)電材料的典型燃料電池中自然發(fā)生的條件相反。
為了確定可用于燃料電池水環(huán)境的設(shè)計(jì)，作為能源部液態(tài)陽(yáng)光聯(lián)盟能源創(chuàng)新中心項(xiàng)目的一部分，貝爾和他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了離聚物的薄層，聚合物允許某些帶電分子(離子)通過(guò)而排除其他離子。由于其高度選擇性的化學(xué)性質(zhì)，它們特別適合對(duì)微環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。
貝爾小組的博士后研究員、論文的第一作者 Chanyeon Kim 提議用兩種常見(jiàn)的離聚物 Nafion 和 Sustainion 涂覆銅催化劑的表面。該團(tuán)隊(duì)假設(shè)，這樣做應(yīng)該會(huì)改變催化劑附近的環(huán)境——包括 pH 值以及水和 CO2 的數(shù)量——以某種方式引導(dǎo)反應(yīng)生成富含碳的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可以很容易地轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品和液體燃料。
研究人員將每種離聚物的薄層以及兩種離聚物的雙層應(yīng)用到由聚合物材料支撐的銅膜上，形成膜，他們可以將其插入到手型電化學(xué)電池的一端附近。在將 CO2注入電池并施加電壓的同時(shí)，他們測(cè)量了流經(jīng)電池的總電流。然后他們測(cè)量了在反應(yīng)過(guò)程中收集在相鄰水庫(kù)中的氣體和液體。對(duì)于兩層情況，他們發(fā)現(xiàn)富含碳的產(chǎn)物占反應(yīng)消耗的能量的 80%——高于未涂層情況下的 60%。
“這種夾心涂層提供了兩全其美的優(yōu)點(diǎn)：高產(chǎn)品選擇性和高活性，”貝爾說(shuō)。雙層表面不僅有利于富含碳的產(chǎn)物，而且同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)電流，表明活性增加。
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