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将二氧化碳转化为有价值产品的电化学催化技术现已有能力抵御杂质的毒害

发布时间:2024-07-10 来源:cnBeta.COM 作者:
多伦多大学工程学院的研究人员开发出一种新型催化剂,即使在存在氧化硫污染物的情况下,也能将捕获的碳有效转化为乙烯和乙醇等有价值的产品。这一突破为碳捕集与升级提供了一种更经济可行的方法,使钢铁和水泥制造等行业能够更有效地从废物流中转化二氧化碳,从而有可能带来革命性的变化。
将二氧化碳转化为有价值产品的电化学催化剂可以抵御毒害当前版本的杂质。一种新型催化剂可提高捕获的碳向商业产品的转化率,尽管存在氧化硫杂质,但仍能保持高效率。这项创新可大幅降低碳捕集技术的成本和能源需求,对重工业产生影响。
多伦多大学工程系研究人员新设计的催化剂能将捕获的碳有效地转化为有价值的产品,即使在有污染物存在的情况下,现有催化剂的性能也会下降。
这一发现是向更经济的碳捕集与封存技术迈出的重要一步,这种技术可以添加到现有的工业流程中。
7 月 4 日发表在《自然-能源》(Nature Energy)上的一篇论文的资深作者大卫-辛顿(David Sinton)教授说:"今天,我们比以往任何时候都有更多更好的低碳发电选择。但还有一些经济部门将更难实现脱碳:例如钢铁和水泥制造业。为了帮助这些行业,我们需要发明具有成本效益的方法,以捕获和提升其废物流中的碳。"

多伦多大学工程系博士生 Rui Kai (Ray) Miao(左)和 Panos Papangelakis(右)举起他们设计的新型催化剂,这种催化剂可将捕获的二氧化碳气体转化为有价值的产品。他们的催化剂即使在二氧化硫(一种会毒害其他催化剂的污染物)存在的情况下也能表现出色。图片来源:Tyler Irving / 多伦多大学工程系
辛顿和他的团队使用被称为电解器的设备,将二氧化碳和电能转化为乙烯和乙醇等产品。这些碳基分子可以作为燃料出售,也可以作为化学原料用于制造塑料等日常用品。
在电解槽内,当二氧化碳气体、电子和水基液体电解质这三种元素在固体催化剂表面聚集在一起时,就会发生转换反应。
催化剂通常由铜制成,但也可能含有其他金属或有机化合物,从而进一步改善系统。催化剂的作用是加快反应速度,最大限度地减少氢气等不良副产品的产生,因为这些副产品会降低整个工艺的效率。
虽然世界上许多团队都生产出了高性能催化剂,但几乎所有催化剂都是针对纯二氧化碳进料而设计的。但是,如果所涉及的碳来自烟囱,那么进料很可能不是纯净的。
机械工程专业博士生、新论文的五位共同第一作者之一 Panos Papangelakis 说:"催化剂设计师通常不喜欢处理杂质,这是有道理的。硫氧化物(如二氧化硫)会与催化剂表面结合,从而毒害催化剂。这就减少了二氧化碳发生反应的位置,而且还会形成你不想要的化学物质。这种情况发生得非常快:有些催化剂在纯进料的情况下可以持续数百小时,而如果引入这些杂质,在几分钟内它们的效率就会下降到 5%。"
虽然有一些成熟的方法可以在将富含二氧化碳的废气送入电解槽之前去除其中的杂质,但这些方法耗时、耗能,而且会提高碳捕集与升级的成本。此外,就二氧化硫而言,即使是一点点也会造成很大问题。
Papangelakis 说:"即使将废气浓度降至百万分之 10 以下,即进料的 0.001%,催化剂仍会在 2 小时内被毒化。"
在论文中,研究小组介绍了他们如何通过对典型的铜基催化剂进行两项关键改动,设计出一种能抵御二氧化硫的弹性更强的催化剂。
在催化剂的一侧,他们添加了一层薄薄的聚四氟乙烯(又称特氟龙)。这种不粘材料会改变催化剂表面的化学性质,阻碍二氧化硫中毒反应的发生。
在另一侧,他们添加了一层 Nafion,这是一种经常用于燃料电池的导电聚合物。这种复杂的多孔材料包含一些亲水区域,即吸水区域,以及其他疏水区域,即拒水区域。这种结构使得二氧化硫很难到达催化剂表面。
研究小组随后向这种催化剂中加入了二氧化碳和二氧化硫的混合物,后者的浓度约为百万分之 400,是典型的工业废物流。即使在如此苛刻的条件下,新型催化剂仍然表现出色。
Papangelakis 说:"在论文中,我们报告的法拉第效率(一种衡量有多少电子最终进入所需产品的方法)为 50%,我们能够将这一效率保持 150 小时。有些催化剂开始时的效率可能较高,可能达到 75% 或 80%。但同样,如果把它们暴露在二氧化硫中,在几分钟或最多几个小时内,效率就会降到几乎为零。我们能够抵御这种情况。"
由于他的团队的方法不会影响催化剂本身的成分,因此可以广泛应用。换句话说,已经完善了高性能催化剂的团队应该能够使用类似的涂层来抵抗氧化硫的毒害。虽然硫氧化物是典型废物流中最具挑战性的杂质,但它们并不是唯一的杂质,团队接下来要研究的是全套化学污染物。
Papangelakis说:"还有很多其他杂质需要考虑,如氮氧化物、氧气等。但是,这种方法对硫氧化物的效果如此之好,是非常有希望的。在这项工作之前,人们只是想当然地认为,在对二氧化碳进行升级之前,必须先去除杂质。我们所展示的是,可能有一种不同的方法来处理它们,这开辟了许多新的可能性"。
编译自/ScitechDaily
来源:cnBeta.COM