催化反应器将温室气体变成纯液体燃料

赖斯工程师Haotian Wang调整其实验室内置的电过分析反应器以回收二氧化碳以产生液体燃料。该反应器旨在成为重用温室气体并将其脱离大气中的有效和有利可图的方法。

普通的温室气体可以以高效和环保的方式通过使用可再生电力生产纯液体燃料的电解器来重新掌握。

由化学和生物分子工程师Haotian Wang稻米大学实验室开发的催化反应器使用二氧化碳作为其原料，并在其最新的原型中产生高度纯化和高浓度的甲酸。

王说，通过传统的二氧化碳装置生产的甲酸需要昂贵和能量密集的净化步骤。直接生产纯甲酸溶液将有助于促进商业二氧化碳转化技术。

该方法在自然能量中详述。

王某于1月加入了大米的棕色工程学院，他的小组追求技术将温室气体变成有用的产品。在测试中，新电催化剂达到了约42％的能量转换效率。这意味着近一半的电能可以作为液体燃料储存在甲酸中。

“甲酸是能量载体，”王说。“这是一种能够产生电力和发出二氧化碳的燃料电池燃料 - 您可以再次抓住和再循环。

“这也是化学工程行业的基础，作为其他化学品的原料，以及氢气的储存材料，可以容纳相同体积的氢气量的近1000倍，这难以压缩，”他说。“这是氢气电池汽车的挑战。”

本示意图显示了在大米大学开发的电解槽，以减少二氧化碳，温室气体，为宝贵的燃料。在左侧是选择二氧化碳的催化剂，并将其减少到带负电的甲酸盐中，其被拉出通过气体扩散层（GDL）和阴离子交换膜（AEM）进入中央电解质。在右侧，氧气进化反应（oer）催化剂从水中产生正质子，并通过阳离子交换膜（CEM）送它们。将离子重组成甲酸或通过去离子（DI）水和气体通过该系统进行的其他产物。川夏和德民刘/赖斯大学的插图

主要推进了新的设备，称，领先作者和赖斯博士后研究员川霞。首先是他发展稳健，二维铋催化剂和第二种固态电解质，其消除了作为反应的一部分的盐的需要。

“与铜，铁或钴如铜，铁或钴如铜，铁或钴相比，铋是一个非常重的原子。”王说。“其流动性低得多，特别是在反应条件下。所以稳定催化剂。“他注意到反应器构造成使水与催化剂保持过，这也有助于保护它。

夏可以在散装中制作纳米材料。“目前，人们在毫克或克秤上生产催化剂，”他说。“我们开发了一种以千克规模生产的方式。这将使我们的过程更容易扩大行业。“

将聚合物基固体电解质涂覆有磺酸配体，进行正电荷或氨基官能团以进行负离子。“通常人们将二氧化碳减少在一种传统的液体电解质中，如咸水，”王说。“你想要进行电力，但纯净的水电解质太抗性。您需要加入氯化钠或碳酸氢钠等盐，使得离子可以在水中自由移动。

“但是当你产生这种方式的甲酸时，它与盐混合，”他说。“对于大部分应用，您必须从最终产品中取出盐，这需要大量的能量和成本。因此，我们采用固体电解质，传导质子，可以由不溶性聚合物或无机化合物制成，无需盐。“

水流过产品室的速率决定了溶液的浓度。随着当前设置的慢吞吐量产生了近30％的甲酸的溶液，而更快的流动允许定制浓度。研究人员希望从下一代反应器中获得更高的浓度，接受气流以带出纯甲酸蒸气。

赖斯实验室与布鲁克海文国家实验室合作，以查看正在进行的过程。“X射线吸收光谱，在Brookhaven Lab的国家同步光源II的内壳光谱（ISS）梁线上有强大的技术，使我们能够探测Outmando的电催化剂的电子结构 - 即在实际化学过程中， “德斯科 - 作者Elistavitski，ISS的铅束力科学家。“在这项工作中，我们在不同的潜力下跟进铋的氧化态，并且能够在二氧化碳减少期间鉴定催化剂的活性状态。”

在稻米大学建造电催化反应器回收二氧化碳以生产使用电力生产纯液体燃料解决方案。本发明背后的科学家希望它将成为重用温室气体的有效和有利可图的方法，并将其避免出现在大气中。

利用其电流反应器，实验室连续产生甲酸100小时，反应器组分的降解可忽略不可规则，包括纳米级催化剂。王表明反应器可以很容易地重新重合，以产生这种高价值的产品作为乙酸，乙醇或丙醇燃料。

“大局是，二氧化碳减少对其对全球变暖的影响以及绿色化学合成非常重要，”王说。“如果电力来自阳光或风这样的可再生源，我们可以创建一个环，将二氧化碳转化为重要的东西而不发出更多。”

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共同作者是彭朱的稻米研究生;沙特阿拉伯科技大学（KAURY）王江和侯豪斯邱江和Husam Alshareef王王王王王（KAURY）;哈佛大学的博士后研究员莹泛;和东北大学的工作人员科学家。王是威廉沼泽赖斯受托人助理化学和生物分子工程教授。夏是米饭的J. Evans Attwell-Welch博士后研究员。

米饭和美国能源部厅的科学用户设施支持研究。

参考：“连续生产纯液体燃料溶液通过电催化二氧化碳减少使用固体电解质器件”通过川霞，彭朱，邱江，莹泛，悟梁梁，狮子史泰克，侯赛因·阿尔沙莱夫和昊天王，2019年9月2日，自然活力。DOI：10.1038 / s41560-019-0451-x

抽象的

电催化二氧化碳还原通常在溶液电解质如KHCO 3（AQ）中进行，其允许电极之间的离子传导。因此，形式的液体产品在与溶解盐的混合物中，需要能量密集的下游分离。在此，我们将CO2的连续电催化转化为利用固体电解质的细胞中的纯液体燃料溶液，其中电化学产生的阳离子（例如H +）和阴离子−（例如HCOO）组合形成纯产物溶液而不与其他离子混合。使用HCOOH选择性（Faradaic Ifficies> 90％）和易于缩放的BI催化剂在阴极上，我们展示了纯HCOOH溶液的产生，浓度高达12米。我们还显示100h连续和稳定的0.1米HCOOH的产生选择性和活动中的降解。还使用Cu催化剂对其他电解质无C2 +液中含氧溶液，包括乙酸，乙醇和N - 丙醇。最后，我们表明我们的二氧化碳还原细胞具有固体电解质可以修改以适应其他更复杂的实际应用。