《我国科学家研发二氧化碳高效转化新机制》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2021-12-21
  • 近日,中国科学技术大学教授曾杰与电子科技大学教授夏川、中国科学院大连化学物理研究所研究员肖建平合作,基于固态电解质开发了一种新型电解反应器。他们利用可持续的清洁电能,配合所研发的铜基单原子催化剂,可以将温室气体二氧化碳高效转化为高价值、高纯度的液体燃料甲酸,无需进一步产物分离。该成果于12月14日在国际顶级学术期刊《自然·纳米技术》杂志上印刷发表。

    利用风力、水力、太阳能等可持续能源的“绿电”,将温室气体二氧化碳电解转化为高价值的化学品,是二氧化碳利用的新兴技术,有望成为减少碳排放的重要手段。然而,如何提高催化剂的选择性、降低产物分离成本,是实现二氧化碳电解产业化亟待解决的技术难题。曾杰教授联合团队研发了一种低成本、高活性的铜基单原子催化剂,实现了二氧化碳到甲酸的单一转化。他们还基于固态电解质开发了一种新型电解装置,配合所研制的催化剂,以二氧化碳和水作为原料,可以直接连续制备得到无需分离的纯甲酸液体燃料。利用这一新技术,研究人员在实验室实现了浓度为0.1摩尔每升的纯甲酸水溶液的公升级制备。

  • 原文来源:http://www.cnenergynews.cn/guonei/2021/12/19/detail_20211219113690.html
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  • 《我科学家实现二氧化碳高选择性转化》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-04-14
    • 记者12日从中国科学技术大学获悉,该校高敏锐教授课题组和俞书宏院士团队设计了系列具有“富集”效应的纳米催化剂,成功实现了二氧化碳到目标产物的高选择性转化。相关成果日前在线发表在《德国应用化学》和《美国化学会志》杂志上。   二氧化碳转化技术不仅能够降低大气中的二氧化碳浓度,同时还可以得到诸多高附加值的碳基燃料。电催化二氧化碳还原技术具有可在常温常压下进行,能够实现人为闭合碳循环等优点,为当前可再生能源的利用和化学燃料合成提供了一种具有应用前景的方法。通过更高效催化剂的理性设计与可控合成,并结合催化机制理解,从而实现二氧化碳电还原技术走向工业化应用成为研究重点与难点。   研究人员提出纳米针尖的“近邻效应”促进二氧化碳电还原过程,通过智能微波反应器的高通量筛选,制备了硫化镉纳米针阵列结构。研究发现随着针尖之间距离的逐渐减小,钾离子富集会不断增强。流动电解池测试表明,这种多纳米针尖硫化镉催化剂由于“近邻富集效应”,其性能大大优于其他过渡金属硫属化物电催化剂。该成果在线发表在《德国应用化学》杂志上,并被选为“卷首插画”论文。   在利用纳米多针尖的“近邻效应”实现对目标离子的富集的基础上,科研人员进一步提出利用纳米空腔的“限域效应”来富集反应中间体,实现二氧化碳到多碳燃料的高效率转化。研究成果发表在《美国化学会志》上。   以上研究成果表明了二氧化碳电还原反应中催化剂纳米结构设计对催化性能的重要影响,纳米尺度“富集效应”可有效增强关键中间体的吸附,从而推动反应高效率运行。这种新的设计理念为今后相关电催化剂的设计和高附加值碳基燃料的合成提供了新的思路。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-08-25
    • 能源短缺和全球变暖已成为人类面临的两大难题。由于化石能源的过量使用,一方面人类赖以生存的传统化石燃料正消耗殆尽;另一方面大气中二氧化碳(CO2)浓度升高,导致全球的温室效应,给地球带来了不可逆的生态环境问题。若利用可再生能源将CO2转变成工业燃料,既解决了其在大气中浓度过高的问题,也缓解了新能源替代化石能源短缺的迫切需求。 CO2电催化还原为碳基燃料和化工原料被科学家认为是一种重要的潜在技术途径。然而,目前CO2还原电催化剂性能不足和系统成本高昂制约了该技术的应用。如何设计高效的催化剂,以提高反应的能量转换效率以及产物选择性是亟待解决的重要问题。 南方科技大学材料科学与工程系教授梁永晔团队、化学系副教授王阳刚团队与合作者共同发展了分子分散电催化剂的体系以及分子工程调控方法,构建了基于金属酞菁的高性能CO2还原电催化剂,使得一氧化碳(CO)产物选择性在大电流密度下接近100%,接近工业CO2还原的要求。相关研究成果日前在线发表于《自然—能源》。 寻找最佳催化剂 自19世纪末期以来,大气中CO2的浓度已从280ppm增加至目前的400ppm,探索有效消耗CO2并将其高效转化为人类可用之物的技术,成为全球科学家关注的重点。 CO2电催化还原,可以使用来自可再生能源的电能,在常温常压的反应条件下,将CO2一步转化为如CO、碳氢化合物等高附加值碳基燃料及化学品,被认为是非常有前途的技术方法。 “将CO2还原为重要的工业原料CO是相对较成熟的技术,目前反应选择性与能量转换效率较其他产物的转化高。但实际应用中,仍需要解决大电流密度工作条件下的催化剂产物选择性以及稳定性问题。”论文通讯作者之一梁永晔告诉《中国科学报》。 在CO2电催化还原的应用中,催化剂是关键环节,其必须具有高的选择性、低的过电位和好的稳定性,才能高效地产生有价值的碳基产品。近年来,CO2还原电催化剂是一个研究热点,并取得了诸多研究进展。 梁永晔介绍,目前较好的催化剂包括基于贵金属如金、银的材料,以及单原子电催化剂等,但还存在诸多不足,比如催化剂成本过高而难以广泛应用、材料结构复杂、选择性不够理想等。 最近,诸如酞菁钴(CoPc)等金属大环配合物分子被发现可作为催化剂在气体扩散电极下将CO2转化为CO。“但在大电流下,它们的稳定性较差。此外,对单原子催化剂以及金属大环配合物催化剂的结构与催化性能关系认识不足,制约了催化剂性能的优化。”梁永晔说。 针对这些问题,梁永晔团队前期研究发现,酞菁钴—碳纳米管(CoPc/CNT)的复合催化剂展现出了比纯CoPc分子更高的CO2还原催化性能,而且这种复合方法还可揭示一系列MePc(Me = Mn,Fe,Co)分子的本征活性,大大提高了CO2还原成CO的电催化性能。 这一次,梁永晔团队在过去的基础上,有了新的探索发现。 接近工业要求的理想催化剂 纯金属大环配合物的CO2还原电催化剂存在分子导电性差、易聚集等问题,制约了其催化性能;而热解制备的单原子催化剂结构复杂、难调控,也限制了此类催化剂的研究。 基于以上现状,梁永晔团队首先通过将金属大环配合物分子级分散于导电碳纳米管上得到分子分散型电催化剂(MDE),双球差电镜表征揭示其结构与单原子电催化剂类似。具有明确Ni—N4结构的酞菁镍(NiPc)分子MDE对CO2还原为CO具有高选择性,催化活性和选择性要优于Ni单原子催化剂和聚集型的NiPc分子。 “但在应用时,我们发现该催化剂稳定性较差。”梁永晔说,为此,他们进一步使用分子工程手段,通过在酞菁(Pc)上引入不同的取代基来调控其催化性能。 研究发现,引入吸电子特性的氰基(CN-)取代可提高其活性,但稳定性仍然不好。而引入给电子特性的甲氧基(OMe-)取代则可有效提高稳定性,并可进一步改善其选择性,实现近乎100%的CO选择性。 接着,研究人员继续将催化剂应用于气体扩散电极装置进行测试,发现NiPc-OMe MDE在还原电流密度在10~300mA cm-2范围内的CO产物选择性可达到99.5%以上,且在150mA cm-2的还原电流下能稳定工作40小时。 “这样的结果接近工业CO2还原的要求,具有产业化的前景。”梁永晔表示。 机理揭示将指导相关电催化剂优化 为找到现象背后的科学原理,梁永晔与王阳刚团队、俄勒冈大学教授冯振兴团队进行合作,进一步结合理论计算和原位同步辐射表征,深入揭示了取代基调控催化性能的机理。 研究发现,具有Ni-N4结构的酞菁镍分子分散型电催化剂(NiPc MDEs)的CO2还原起峰电位与Ni中心的部分还原紧密相关,而不简单取决于理论计算中的反应能垒。CN-取代可以使分子更容易被还原,因此具有更正的起峰电位。此外,OMe-取代可以提高催化过程中Ni-N键强度以及促进CO中间体脱附,从而提高了催化稳定性。 机理的揭示也将为相关电催化剂的设计与优化提供指导。 “目前测试的电流密度以及工作时间受到器件工艺的限制,仍需进一步优化其测试条件,以测试在更大电流密度以及更长工作时间下的性能。”梁永晔说,下一步他们将继续优化催化剂设计,实现更高的催化活性,并进一步探索制备其他还原产物的条件。同时,加强在实际应用器件中的研究,推动此类催化剂的应用。 相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-020-0667-9