《二氧化碳电化学还原的新策略》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: pengh
  • 发布时间:2020-04-15
  • 二氧化碳(CO2)的排放已经成为一个全球性的问题,导致了温室效应对地球的温室效应。因此,有效地将CO2转化为具有附加值的液体燃料是解决CO2排放的重要途径之一,同时也可以缓解不可再生化石燃料日益短缺的问题。

    近年来,二氧化碳的电化学还原反应条件温和、能源效率高,受到世界各国的重视和研究。然而,如何实现大电流密度和高法拉第效率仍然是一个挑战。

    最近,刘教授领导的研究小组从青岛利晟生物能源和生物处理技术研究所(QIBEBT),中国科学院(CAS),发现直接涂层amino-functionalized碳层可以有效地调节SnS non-precious金属催化剂的电子结构,从而加速电子传导的效率和增强吸附能量OCHO *和二氧化碳*,这导致了反应电流密度和甲酸盐产量的增加。

    为提高过渡金属催化剂对CO2电催化还原的催化活性提供了新的策略。

    相关进展发表在《先进能源材料》杂志上。这项工作得到了中国国家自然科学基金和大连清洁能源合作基金国家实验室的支持。

相关报告
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    • 来源专题:纳米科技
    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2018-09-27
    • 特拉华大学催化科学与技术中心(CCST)的一组研究人员发现了一种新型的两步法来提高二氧化碳(CO2)电解效率,这是一种由电流驱动的化学反应,可以帮助生产有价值的化学品和燃料。 研究小组的研究结果于8月20日星期一发表在《自然催化》杂志上。 研究小组由化学和生物分子工程副教授冯姣和研究生马修·朱尼和卫斯理·吕克组成,他们通过建造一种特殊的三室装置获得了研究结果,这种装置被称为电解槽,利用电力将二氧化碳转化为更小的分子。 与化石燃料相比,电力是一种更经济、更环保的方法,可以驱动化学过程生产商业化学品和燃料。其中包括乙烯(用于生产塑料)和乙醇(一种有价值的燃料添加剂)。 “这种新型电解技术提供了一种新的途径,以令人难以置信的反应速率获得更高的选择性,这是迈向商业应用的重要一步,”焦说,他同时也是CCST的副总监。 而直接的CO2电解是降低二氧化碳的标准方法,焦的团队将电解过程分为两个步骤,将CO2还原为一氧化碳(CO),然后将CO进一步还原为多碳(C2+)产品。焦健说,这种分两部分的方法比标准方法有很多优点。 焦博士说:“通过将这一过程分为两个步骤,我们获得了比直接电解过程更高的多碳产品选择性。”“序贯反应策略可以为设计更高效的二氧化碳利用过程开辟新途径。” 焦健和他的同事、化学和生物分子工程助理教授徐秉俊也在推动焦健的研究。在天津大学的研究人员的合作下,焦和徐正在设计一个系统,通过使用碳中性的太阳能发电来减少温室气体的排放。 焦说:“我们希望这项工作能让人们更多地关注这项有前途的技术,以便进一步研发。”“仍有许多技术挑战有待解决,但我们正在努力解决它们!” ——文章发布于2018年9月25日
  • 《沪科研团队开发首个能量转换效率超20%的二氧化碳还原人工光合作用系统》

    • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
    • 编译者:陈方
    • 发布时间:2020-09-11
    • 近日,上海科技大学校物质学院林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化,首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过20%的二氧化碳(CO2)还原人工光合作用系统,相关工作以“An Artificial Photosynthetic System with CO2-Reducing Solar-to-Fuel Efficiency Exceeding 20%”为题,在国际知名期刊《材料化学杂志A》(《Journal of Materials Chemistry A》)上在线发表。 植物通过光合作用把太阳能转换成电势能,进而驱动一系列生化反应把二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气,是碳基生物利用能源和碳物质的核心基础过程。但是自然光合作用中太阳能到化学能的转换效率太低,虽然理论值最高可以达到8%左右,但是实际上一般小于1%,因而消耗了大量的土地和水资源,难以满足人类社会面临的日益严峻的可持续发展挑战。受自然界光合作用的启发,人工光合作用可以通过光伏器件将太阳能转换成电能,再驱动电化学系统将水氧化成氧气,同时把CO2还原为含碳能量载体或者具有高附加值的产物。人工光合作用不仅可以实现CO2的减排,还可以将太阳能转换成方便存储的化学能,是实现人类可持续发展的一个关键策略,从上个世纪以来就吸引了全球科学家持续而广泛的研究兴趣。然而在本项工作之前,即使使用CO2电还原活性最高的金催化体系,太阳能到化学能的最高能量转换效率也不到18%。 林柏霖课题组创造性地开发了一种在纳米多孔聚丙烯膜上负载纳米多层级孔Ag的一体化薄膜电极(nmp-Ag),可同时在低过电势下实现高活性、高选择性和高稳定性的CO2电还原。该电极可在极低的过电势下能够将CO2高选择性地还原为一氧化碳(CO)(40 mV时大约为80%,在90-290 mV时大约为100%)。在所有可能的CO2还原产物中,CO是每消耗单位能量具有最高的CO2减排能力的产物之一。此外,工业界现有的成熟技术可以大规模地将CO转化为其它常用的燃料或高附加值产物,比如汽油和甲醇等。通过实验和理论分析表明,这种纳米多级孔结构不仅可以增加活性位点的数量,同时也突破了前人报道的基于薄膜电极的三相界面扩散极限的限制,从而在低过电势下实现相对较高的CO2电还原分电流密度和CO的选择性。 林柏霖课题组通过定量系统工程分析发现该电极如果与目前最先进的太阳能电池相搭配,可以充分利用太阳电池的光电流,预计可以实现太阳能到化学能的最高转换效率约为25%。之后,他们将该电极与课题组开发的镍铁基阳极相结合,在系统工程分析定量结果的指导下,与商业化的太阳能电池相匹配,开发出了基于CO2还原的人工光合作用系统,在28 小时的长时间测试过程中表现出良好的稳定性,整个系统的太阳能到化学能最高转换效率达到了约20.4%,全程平均能量转换效率为20.1%,超过了目前所有已知的CO2还原人工光合作用系统。 此外,本项工作还通过定量系统工程分析揭示了在高效人工光合作用系统的构建中,相比于学界普遍关注的光电转换效率,太阳电池的光电流是当前更需要突破的关键指标,这一发现对未来人工光合作用系统的进一步突破具有重要的指导意义。 林柏霖课题组的助理研究员肖彦军和2017级博士研究生钱瑶为该研究工作的共同第一作者,林柏霖为通讯作者,上海科技大学为第一完成单位。上科大物质学院分析测试平台和电镜中心给予了大力支持。 论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06714h