新型催化剂将二氧化碳转化为可持续的副产品

捕获一氧化碳的需求2运输以进行永久储存或转化为有价值的最终用途是两党基础设施法最近确定的国家优先事项，即到 2050 年实现温室气体净零排放。

现在，西北大学的研究人员与一个国际合作团队合作，从捕获的碳中提取的一氧化碳中制造乙酸。这项创新使用了泰德·萨金特教授实验室创造的一种新型催化剂，可能会激发人们对碳捕获和储存的新兴趣。

“从技术角度来看，碳捕获今天是可行的，但从经济角度来看还不是，”萨金特说。“通过使用电化学将捕获的碳转化为具有成熟市场的产品，我们为改善这些经济性提供了新的途径，并为我们仍然需要的工业化学品提供了更可持续的来源。

这篇论文发表在《自然》杂志上。

该论文的通讯作者萨金特是西北大学的Lynn Hopton Davis和Weinberg艺术与科学学院的Greg Davis化学教授，也是McCormick工程学院的电气和计算机工程教授。他的团队在使用电解槽(电力驱动所需化学反应向前的装置)将捕获的碳转化为关键的工业化学品(包括乙烯和丙醇)方面有着良好的记录。

虽然醋酸可能是家用醋中的关键成分，但多伦多大学最近的博士获得者Josh Wicks，该论文的四位共同主要作者之一，表示这种用途仅占其用途的一小部分。

“醋中的醋酸需要通过发酵来自生物来源，因为它被人类消耗，”威克斯说。“但大约90%的醋酸市场是用于制造油漆，涂料，粘合剂和其他产品的原料。这种规模的生产主要来自甲醇，甲醇来自化石燃料。

生命周期评估数据库显示，甲醇每生产一千克乙酸，该过程释放1.6千克一氧化碳。2.

他们的替代方法通过两步过程进行：首先，捕获气态一氧化碳2通过电解槽，在那里它与水和电子反应形成一氧化碳(CO)。然后气态CO通过第二个电解槽，在那里另一个催化剂将其转化为含有两个或多个碳原子的各种分子。

“我们面临的一个主要挑战是选择性，”威克斯说。“用于第二步的大多数催化剂都促进了多个同时反应，这导致了难以分离和纯化的不同双碳产物的混合物。我们在这里试图做的是设置有利于一种产品胜过所有其他产品的条件。

Vinayak Dravid是该论文的另一位资深作者，也是亚伯拉罕哈里斯材料科学与工程教授，是西北大学原子和纳米级表征(NUANCE)中心的创始主任，该中心允许该团队获得原子和电子尺度测量材料的各种功能。

“现代研究问题是复杂和多方面的，需要多样化但综合的能力来分析原子尺度的材料，”德拉维德说。“像泰德这样的同事向我们提出了具有挑战性的问题，激发了我们的创造力，以开发新颖的想法和创新的表征方法。

该团队的分析表明，与以前的催化剂相比，使用低得多比例的铜(约1%)将有利于仅生产乙酸。它还表明，将压力提高到10个大气压将使团队能够实现破纪录的效率。

在论文中，该团队报告了91%的法拉第效率，这意味着每91个电子中泵入电解槽中有100个最终会形成所需的产物 - 在这种情况下，乙酸。

“这是我们看到的可扩展电流密度下任何多碳产品的最高法拉第效率，”Wicks说。“例如，针对乙烯的催化剂通常最高约为70%至80%，因此我们明显高于此。

新催化剂似乎也相对稳定：虽然一些催化剂的法拉第效率会随着时间的推移而降低，但研究小组表明，即使在运行85小时后，它仍保持在820%的高水平。

威克斯希望导致团队成功的要素——包括一种新的目标产物、略微增加的反应压力以及催化剂中铜的比例降低——激励其他团队跳出框框思考。

“其中一些方法违背了这一领域的传统智慧，但我们发现它们可以很好地工作，”他说。“在某些时候，我们将不得不使化学工业的所有元素脱碳，因此我们对有用产品的不同途径越多，无论是乙醇，丙烯还是乙酸，就越好。

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