通过使用可再生电力生产纯液体燃料的电解槽，可以以有效且环保的方式改变常见的温室气体。
由莱斯大学化学和生物分子工程师王浩天开发的催化反应器使用二氧化碳作为原料，并在其最新的原型中生产高纯度和高浓度的甲酸。
Wang说，传统二氧化碳装置生产的甲酸需要昂贵且耗能的净化步骤。直接生产纯甲酸溶液将有助于促进商业二氧化碳转化技术。
该方法详见Nature Energy。
Wang于1月加入赖斯布朗工程学院，他的团队追求将温室气体转化为有用产品的技术。在测试中，新型电催化剂的能量转换效率达到约42％。这意味着近一半的电能可以作为液体燃料储存在甲酸中。
“甲酸是一种能量载体，”王说。 “它是一种燃料电池燃料，可以发电并排放二氧化碳 - 你可以再次抓住并回收利用。
“它也是化学工程行业的基础，作为其他化学品的原料，以及氢气的储存材料，其能够容纳相同体积氢气的近1000倍的能量，这是难以压缩的，”他说。 “这对氢燃料电池汽车来说是一个巨大的挑战。”
主要作者和赖斯博士后研究员川霞说，两项进展使新设备成为可能。第一个是他开发出坚固的二维铋催化剂，第二个是固态电解质，它不需要盐作为反应的一部分。
“与过渡金属如铜，铁或钴相比，铋是一种非常重的原子，”王说。 “它的流动性要低得多，特别是在反应条件下。这样可以稳定催化剂。”他指出，反应器的结构可以防止水接触催化剂，这也有助于保护催化剂。
夏可以批量生产纳米材料。 “目前，人们以毫克或克规模生产催化剂，”他说。 “我们开发了一种以千克规模生产它们的方法。这将使我们的工艺更容易扩展到工业领域。”
基于聚合物的固体电解质涂覆有磺酸配体以传导正电荷或氨基官能团以传导负离子。 “通常人们会减少传统液体电解质中的二氧化碳，如咸水，”王说。 “你想要用电，但纯水电解质太耐用了。你需要加入盐，如氯化钠或碳酸氢钾，这样离子就可以在水中自由流动。
“但是当你以这种方式生成甲酸时，它会与盐混合，”他说。 “对于大多数应用，你必须从最终产品中去除盐，这需要大量的能源和成本。因此我们使用固体电解质来传导质子，可以由不溶性聚合物或无机化合物制成，无需盐“。
水流过产品室的速率决定了溶液的浓度。使用当前设置的低吞吐量产生的溶液重量接近30％甲酸，而更快的流量允许定制浓度。研究人员希望从接受气流的下一代反应堆中获得更高的浓度，从而产生纯甲酸蒸气。
莱斯实验室与布鲁克海文国家实验室合作，查看正在进行的过程。 “X射线吸收光谱是Brookhaven Lab国家同步加速器光源II的内壳光谱（ISS）光束线上的一种强大技术，使我们能够在操作过程中探测电催化剂的电子结构 - 即在实际化学过程中“共同作者，国际空间站主要光束线科学家Eli Stavitski说。 “在这项工作中，我们遵循铋在不同电位下的氧化态，并能够确定催化剂在二氧化碳还原过程中的活性状态。”
利用其当前的反应器，实验室连续生成甲酸100小时，反应器组分（包括纳米级催化剂）的降解可忽略不计。 Wang建议可以很容易地对反应器进行重组，以生产乙酸，乙醇或丙醇等高价值产品。
“总体情况是，减少二氧化碳对于它对全球变暖以及绿色化学合成的影响非常重要，”王说。 “如果电力来自太阳能或风能等可再生能源，我们就可以形成一个环路，将二氧化碳转化为重要的物质，而不会排放更多的二氧化碳。”
合着者是赖斯研究生彭竺;研究生Qiu Jiang和Husam Alshareef，沙特阿拉伯国王阿卜杜拉科技大学（KAUST）材料科学与工程教授;哈佛大学博士后研究员Ying Pan;和东北大学的员工科学家Wentao Liang。 Wang是William Marsh Rice受托人化学与生物分子工程助理教授。 Xia是Rice的J. Evans Attwell-Welch博士后研究员。
——文章发布于2019年9月3日
