新电催化剂将二氧化碳转化为液体燃料

电催化过程的艺术渲染，将二氧化碳与水转化为乙醇。

新型电催化剂有效地将二氧化碳转化为乙醇。

催化剂加速化学反应并形成许多工业过程的骨干。例如，它们对于将重油转化为汽油或喷射燃料至关重要。如今，催化剂涉及超过80％的制造产品。

由美国能源部（DOE）Argonne国家实验室领导的研究团队与伊利诺伊州北部大学合作，发现了一种新的电催化剂，将二氧化碳（二氧化碳）和水转化为乙醇，具有非常高的能效，适用性高期望的最终产品和低成本。乙醇是一种特别理想的商品，因为它是几乎所有美国汽油的成分，并且广泛用作化学，制药和化妆品行业中的中间产物。

“由我们的催化剂产生的过程将有助于循环碳经济，这需要二氧化碳的再利用。”—阿贡大学化学科学与工程系高级化学家，芝加哥大学CASE科学家刘迪佳（Di-Jia Liu）

“催化剂所产生的过程将有助于循环碳经济，即具有二氧化碳的重复使用，”阿尔冈纳化学科学和工程宣传的高级化学家Di-jia Liu表示，Pritzker分子普拉斯科学院的uchicago案例科学家芝加哥大学工程。通过电化学转换从工业过程中发出的二氧化碳，例如化石燃料发电厂或酒精发酵植物，以合理的成本电化学转换为有价值的商品来这样做。

该小组的催化剂由碳粉载体上原子分散的铜组成。通过电化学反应，该催化剂破坏CO 2和水分子，并在外部电场下选择性将破碎的分子重新组装成乙醇。该过程的电催化选择性或“游览效率”超过90％，远高于任何其他报道的过程。更重要的是，催化剂在低电压下稳定地在延长操作上运行。

“通过这项研究，我们发现了一种将二氧化碳和水转化为乙醇的新催化机制，”伊利诺伊州北部大学物理化学和纳米技术教授陶旭说。“该机制还应为将二氧化碳转化转换为大量增值化学品的高效电催化剂提供基础。”

因为CO 2是稳定的分子，因此将其转化为不同的分子通常是能量密集且昂贵的。然而，根据Liu的说法，“我们可以使用我们的催化剂将CO 2乙醇转化转化的电化学方法与电网一起耦合，并利用在峰值小时内的可再生源等可再生源等低成本电力。 “由于该过程在低温和低压下运行，因此可响应间歇性供应可再生电力而迅速启动和停止。

该团队的研究受益于Argonne的两个Doe Office的科学用户设施 - 先进的光子源（APS）和纳米级材料中心 - 以及Argonne的实验室计算资源中心（LCRC）。“由于APS的X射线束的高光子通量，我们捕获了电化学反应过程中催化剂的结构变化，”伊利诺伊州北部化学和生物化学系的助理教授陶丽Argonne X射线科学专区大学和助理科学家。这些数据以及使用LCRC的CNM和计算建模的高分辨率电子显微镜揭示了从原子分散的铜到三个铜原子的簇的可逆变换，每个都在施加低电压上。在这些微型铜簇上发生CO 2乙醇催化。这一发现通过理性设计进一步改善催化剂的方法来脱落。

“我们使用这种方法制备了几种新催化剂，发现它们在将CO2转换为其他烃时，它们都是高效的，”刘说。“我们计划与行业合作继续这项研究，推进这项有前途的技术。”

参考：徐海平，Dominic Rebollar，何海英，钟丽娜，刘玉子，刘聪，刘聪，孙成军，李涛，John V. Muntean，“由原子分散的铜动态形成的金属簇形成的高选择性电催化将二氧化碳还原为乙醇”， Randall E.Winans，刘迪佳和徐涛，2020年7月27日，自然能源.DOI：
10.1038 / s41560-020-0666-x

对该研究的支持来自于Argonne的实验室定向研究和开发（LDRD）基金由Doe Scient办公室和基本能源科学的Doe办事处提供。相应的科学纸，“通过由原子分散的铜动态形成的金属簇”高度选择性电催化二氧化碳还原对乙醇，“出现在7月2020日的自然能量问题中。除了Di-jia liu和tao xu外，提交人包括海平徐，多米尼克·重建，海英河，丽娜冲，玉子刘，刘刘，成俊孙，陶李，约翰五，蒙族和兰德尔·威斯兰。

关于阿贡纳米材料中
心纳米材料中心是五个DOE纳米科学研究中心之一，是DOE科学办公室支持的纳米级跨学科研究的主要国家用户设施。NSRC共同构成了一套补充设施，为研究人员提供了制造，加工，表征和建模纳米级材料的最新能力，并构成了国家纳米技术计划的最大基础设施投资。NSRC位于DOE的Argonne，Brookhaven，Lawrence Berkeley，Oak Ridge，Sandia和Los Alamos国家实验室。

关于高级光子源

美国科学的高级光子源（APS）能源办公室在阿尔冈国家实验室是世界上最富有成效的X射线光源设施之一。APS为材料科学，化学，凝聚物物理，生命和环境科学以及应用研究提供了高亮度X射线束。这些X射线非常适合材料和生物结构的探索;元素分布;化学，磁，电子国家;以及从电池到燃料喷射器喷雾的各种技术重要的工程系，所有这些都是我们国家经济，技术和身体健康的基础。每年，超过5,000名研究人员使用APS生产超过2,000个出版物，详细说明了影响的发现，并解决了比任何其他X射线光源研究设施的用户更重要的生物蛋白质结构。APS科学家和工程师创新技术，即在推进加速器和光源操作的核心。这包括通过研究人员产生极端亮度X射线的插入设备，将X射线降到几纳米的镜头，仪器最大化X射线与正在研究的样本相互作用的仪器，以及聚集的软件管理APS的发现研究产生的大量数据。

这项研究使用了先进的光子源的资源，美国DOE科学用户设施Offerate of Scient of Chiness National实验室在合同号DE-AC02-06CH11357下运营。