随着全球努力减少温室气体排放，研究人员正在寻找实用且经济的方法，将二氧化碳捕获并转化为有用的产品，例如交通燃料、化学原料，甚至建筑材料。然而，到目前为止，这些尝试尚未达到经济可行性。
MIT 工程师的一项新研究可能为正在开发中的多种电化学系统带来快速改进，这些系统旨在将二氧化碳转化为有价值的商品。研究团队开发了一种新型电极设计，提高了转化过程的效率。
这项研究成果近期发表在 Nature Communications 上，由 MIT 博士生 Simon
Rufer、机械工程教授 Kripa Varanasi 以及其他三名研究人员共同撰写。
Varanasi 表示：“二氧化碳问题是我们这一时代的重大挑战，我们正在利用各种手段解决这一问题。”
他强调，找到从发电厂排放物、空气或海洋中去除二氧化碳的实用方法至关重要。然而，一旦二氧化碳被去除，还必须找到处理这些气体的方式。
Varanasi 指出，目前已经开发出各种系统，可以将捕获的二氧化碳转化为有用的化学产品。“我们不是不能做到这一点——我们可以做到。但问题是，如何使其高效？如何使其具备成本效益？”
在这项新研究中，团队专注于将二氧化碳通过电化学转化为乙烯，这是一种广泛使用的化学物质，可用来生产各种塑料以及燃料。目前，乙烯主要由石油生产。然而，研究人员表示，他们开发的方法同样适用于生产其他高价值化学产品，例如甲烷、甲醇、一氧化碳等。
目前，乙烯的售价约为每吨 1000 美元，因此目标是实现能够与这一价格竞争的生产方式。将二氧化碳转化为乙烯的电化学过程涉及一种基于水的溶液和催化剂材料，它们在一种称为气体扩散电极的设备中与电流接触。
气体扩散电极材料的性能受到两个竞争性特性的影响：它们必须是良好的导电体，以防止驱动过程的电流因电阻发热而浪费；同时，它们必须具有“疏水性”，即防止基于水的电解质溶液泄漏并干扰电极表面的反应。
遗憾的是，这是一种权衡：提高导电性会降低疏水性，反之亦然。Varanasi 和他的团队试图找到解决这一冲突的方法，经过数月的努力，他们成功实现了这一目标。
由 Rufer 和 Varanasi 设计的解决方案以其简单而优雅著称。他们使用了一种塑料材料 PTFE（本质上是特氟龙），这种材料以良好的疏水性能而闻名。然而，由于 PTFE 缺乏导电性，电子必须通过非常薄的催化剂层传递，这会随着距离显著增加电压损失。为克服这一限制，研究人员将一系列导电铜线编织进 PTFE 的超薄片材中。
“这项工作真正解决了这一挑战，因为我们现在可以同时实现导电性和疏水性。”Varanasi 表示。
碳转化系统的研究通常是在非常小的实验室规模样本上进行的，通常尺寸小于 1 英寸的方块。为了展示扩展的潜力，Varanasi 的团队制作了一张面积大 10 倍的片材，并证明了其有效性能。
为实现这一目标，他们进行了之前从未完成的基础测试，在相同条件下使用不同尺寸的电极进行测试，以分析导电性与电极尺寸之间的关系。他们发现，导电性随着尺寸的增大显著下降，这意味着驱动反应需要更多能量，从而增加成本。
“这是我们预料之中的结果，但之前并没有人专门研究过这一点。”Rufer 说。此外，更大的尺寸会产生更多的副产物，而非预期的乙烯。
实际工业应用需要的电极可能比实验室版本大 100 倍，因此增加导电线将是使这些系统实用化的必要条件。研究人员还开发了一个模型，捕捉了由于欧姆损耗导致的电极电压和产物分布的空间变化。这个模型结合他们收集的实验数据，使他们能够计算出导电线的最佳间距，以抵消导电性下降。
通过将铜线编织进材料中，该材料被划分为由线间距决定的较小子区域。“我们将其分成许多小的子段，每个子段实际上是一个更小的电极。”Rufer 解释道。“正如我们所看到的，小电极可以很好地工作。”
由于铜线的导电性远高于 PTFE 材料，它充当了电子通过的“高速公路”，连接了电子被限制在基底中且阻力较大的区域。
为证明其系统的稳健性，研究人员连续运行了测试电极 75 小时，性能几乎没有变化。总体而言，Rufer 表示，他们的系统是第一个基于 PTFE 的电极，在 5 厘米或更小的实验室规模之外实现了扩展，并且没有牺牲效率。
他补充说，铜线的编织过程可以轻松融入现有制造流程，甚至在大规模卷对卷工艺中也能实现。
“我们的方法非常强大，因为它与实际使用的催化剂无关。”Rufer 说，“你可以将这些微米级铜线缝入任何您想要的气体扩散电极中，无论催化剂的形态或化学性质。因此，这种方法可以用于扩展任何人的电极。”
“考虑到我们每年需要处理数十亿吨二氧化碳来应对这一挑战，我们确实需要思考能够扩展的解决方案。”Varanasi 表示。“从这一思路出发，我们能够识别关键瓶颈并开发创新方法，从而在解决问题方面产生重要影响。我们的分级导电电极就是这种思维方式的产物。”
