二氧化碳高效转化为燃料——电催化剂对纳米粒子的关键作用

【概要】科学家现已开发出一种新的电催化剂，该催化剂可通过史上最低的能源投入直接将二氧化碳转化为更多碳燃料和醇类。这项工作旨在创造清洁的化学系统，该系统可充分利用二氧化碳并发挥其效能。

【图注】由铜纳米颗粒制成新催化剂的示意图，该铜纳米颗粒即由二氧化碳转化成的多碳产物（包括乙烯，乙醇和丙醇）。左上图是铜纳米粒子的透射电子显微镜图像，将纳米颗粒从球体转变为立方体结构是在反应中将能量输入保持最低的关键。

能源部Lawrence Berkeley国家实验室（Berkeley Lab）科学家们的此项研究工作是Berkeley实验室进行研究的最新进展，该项研究旨在创建清洁的化学制造系统，从而使二氧化碳得到很好的利用。在本周美国国家科学院院刊（PNAS）发表的新研究中，由Berkeley实验室科学家杨培东带领的研究小组发现，由铜纳米粒子组成的电催化剂提供了分解二氧化碳所需的产物条件，例如乙烯，乙醇和丙醇。

这些产品都含有2-3个碳原子，并且都被认为是现代生活中的高价值产品。乙烯是用于制造塑料膜、瓶子以及聚氯乙烯（PVC）管道的基本成分，而乙醇则通常由生物质制成，其已经占据了汽油生物燃料添加剂的地位。虽然丙醇是非常有效的燃料，但是其应用成本太高。

为了衡量催化剂的能量效率，科学家们考虑到产品的热力学潜力（即电化学反应中可以获得的能量），以及驱动反应的热力学潜力所需的额外电压量率。该额外电压称为超电势，该超电势越低，催化剂效率越高。

Berkeley实验室材料科学部高级科学家杨教授说：“在当前的研究领域中，通常可以利用二氧化碳制造催化剂，这种催化剂可以生产出多碳二烯产品，但这些工艺通常以1伏的高电压运行，以达到可观的电压量。此时的报道更具挑战性，我们发现了一种二氧化碳还原催化剂，在高电流密度下运行，仅需提供史上最低的电压，比典型的电催化剂低了大约300毫伏。

立方铜催化剂

研究人员使用X射线光电子能谱，透射电子显微镜和扫描电子显微镜的表征组合，对Berkeley Lab的Molecular Foundry的电催化剂进行了表征。催化剂由紧密堆积的铜球组成，每个直径约为7纳米，以密集填充的方式分层在碳纸的顶部。研究人员发现，在电解的早期阶段，纳米颗粒簇融合并逐步转变成立方体纳米结构，立方体形状的尺寸范围为10至40纳米。

研究主管作者Dohyung Kim博士说：“在这种转型之后，立即形成多碳产品的反应。我们试图从预先形成的纳米尺寸铜立方体开始实验，但是没有产生大量的多碳三聚氰胺产品，这是从铜纳米球到立方体结构的实时结构变化，促进了多碳氢化合物和含氧化合物的形成”。我们所知道的是，这种独特的结构为二氧化碳转化为多碳产品提供了有利的化学环境，”该博士说，“立方体形状和相关表面可能会提供一个理想的交汇点，使二氧化碳，水和电子可以聚在一起。”

二氧化碳—燃油的多种转化途径

这项最新研究表明，二氧化碳减排在能源研究方面已经成为日益活跃的领域。人造光合作不是利用太阳的能量将二氧化碳转化为植物食物，而是使用相同的起始成分来生产合成产物中的化学前体以及乙醇等燃料。

Berkeley实验室的研究人员已经解决了多方面的挑战，例如控制催化反应产生的产物，并在2016年，开发了用于从CO 2和阳光生产乙酸盐的混合半导体细菌系统。以及上半年，另一个研究团队使用光催化剂将二氧化碳几乎完全转化为一氧化碳。甚至最近，为了有效地生产合成气以及混合物，该实验室开发了一种新的催化剂。

该实验室地研究人员还致力于提高二氧化碳减排的能源效率，以便使得该系统扩大工业化。由Berkeley实验室研究人员在人工光合作用联合中心发表的最近一篇文章中，他们利用基础科学来展示如何优化整个系统的各个组成部分，以令人印象深刻的能源效率实现太阳能燃料生产的工业目标。

这项新的PNAS研究侧重于催化剂的效率而不是整个系统，但研究人员指出，该催化剂可以连接到各种可再生能源，包括太阳能电池。“通过利用已经为其他组件（如商业太阳能电池和电解器）构造的使用价值，我们分别将电子产品和太阳能、以及产品的能源效率分别提高到二至三碳产品的24.1％和4.3％ ”，Kim说道。

Kim估计，若将该催化剂作为太阳能燃料系统的一部分并入电解槽中，那么只有10平方厘米的材料可以每天产生约1.3克乙烯，0.8克乙醇和0.2克丙醇。他说：“随着太阳能燃料系统个别部件的不断改善，这些数字会随着时间的推移而不断改善。”

原文链接：Copper catalyst yields high efficiency CO2-to-fuels conversion

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