作者:约瑟夫
阿尔贡国家实验室哈蒙 二氧化碳和水转化为乙醇的电催化过程的艺术再现
学分:学分:阿尔贡国家实验室 催化剂加速化学反应，并形成许多工业过程的主干
例如，它们是将重油转化为汽油或喷气燃料的关键
如今，超过80%的制成品都含有催化剂
一个由美国领导的研究小组
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能源部阿贡国家实验室与北伊利诺伊大学合作，发现了一种新的电催化剂，它可以将二氧化碳(CO2)和水转化为乙醇，具有极高的能效、对所需最终产品的高选择性和低成本
乙醇是一种特别受欢迎的商品，因为它是几乎所有美国食品中的一种成分
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汽油，在化学、制药和化妆品工业中广泛用作中间产品
“由我们的催化剂产生的过程将有助于循环碳经济，这需要二氧化碳的再利用，”阿尔贡化学科学与工程部门的高级化学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院的UChicago CASE科学家刘迪佳说
这一过程是通过电化学方法将工业过程(如化石燃料发电厂或酒精发酵厂)排放的二氧化碳以合理的成本转化为有价值的商品
该小组的催化剂由原子分散在碳粉载体上的铜组成
通过电化学反应，该催化剂分解CO2和水分子，并在外部电场的作用下选择性地将分解的分子重新组装成乙醇
该工艺的电催化选择性或“法拉第效率”超过90%，远高于任何其他报道的工艺
此外，催化剂在低电压下长时间稳定运行
“通过这项研究，我们发现了一种将二氧化碳和水转化为乙醇的新催化机制，”北伊利诺伊大学物理化学和纳米技术教授徐涛说
“该机制还应为开发高效的电催化剂提供基础，以便将二氧化碳转化为大量增值化学品
" 因为二氧化碳是一种稳定的分子，将其转化为不同的分子通常需要大量的能量和昂贵的费用
然而，根据刘的说法，“我们可以利用我们的催化剂将电化学过程中的CO2转化为乙醇的过程耦合到电网上，并在非高峰时段利用太阳能和风能等可再生能源提供的低成本电力
“因为该过程在低温低压下运行，所以它可以根据可再生电力的间歇供应而快速启动和停止
该团队的研究受益于位于阿尔贡的美国能源部科学用户办公室的两个设施——高级光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)——以及阿尔贡的实验室计算资源中心(LCRC)
北伊利诺伊大学化学和生物化学系助理教授、阿尔贡x光科学部助理科学家陶莉说:“由于APS上x光束的高光子通量，我们已经捕捉到了电化学反应过程中催化剂的结构变化。”
这些数据以及CNM的高分辨率电子显微镜和使用LCRC的计算模型揭示了在施加低电压时从原子分散的铜到三个铜原子簇的可逆转变
二氧化碳转化为乙醇的催化作用发生在这些微小的铜簇上
这一发现揭示了通过合理设计进一步改进催化剂的方法
“我们已经用这种方法制备了几种新的催化剂，并发现它们在将CO2转化为其他碳氢化合物方面都非常有效，”刘说
“我们计划与工业界合作继续这项研究，以推进这项有前途的技术
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