作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 染料被用来显示水中二氧化碳的浓度水平
左边是一种吸引气体的材料，染料显示二氧化碳仍然集中在催化剂旁边
荣誉:瓦拉纳西研究小组 从发电厂排放物中捕获和转化二氧化碳的系统可能是遏制气候变化的重要工具，但大多数系统效率相对较低且成本较高
现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，可以显著提高使用催化表面来提高碳隔离电化学反应速率的系统的性能
这种催化系统是碳捕获的一个有吸引力的选择，因为它们可以生产有用的、有价值的产品，如运输燃料或化学原料
这一产出可以帮助补贴这一过程，抵消减少温室气体排放的成本
在这些系统中，典型地，含有二氧化碳的气流通过水来输送用于电化学反应的二氧化碳
在水中的运动是缓慢的，这减缓了二氧化碳的转化速度
新设计确保二氧化碳流集中在紧邻催化剂表面的水中
研究人员表明，这种集中可以使系统的性能提高近一倍
今天，麻省理工学院博士后萨米·汗博士在《细胞报告物理科学》杂志的一篇论文中描述了这一结果
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19岁，现在是西蒙·弗雷泽大学的助理教授，还有麻省理工学院的机械工程教授克里帕·瓦拉纳西和邵阳·霍恩，以及刚毕业的乔纳森·黄博士
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瓦拉纳西说:“二氧化碳封存是我们这个时代的挑战。”
有许多方法，包括地质封存、海洋储存、矿化和化学转化
当谈到用这种温室气体制造有用的、可销售的产品时，电化学转化特别有希望，但它仍然需要改进以变得经济可行
“我们工作的目标是了解这个过程中的大瓶颈是什么，并改善或减轻这个瓶颈，”他说
在左边，一个气泡撞击一个特殊纹理的气体吸引表面，并在表面扩散开来，而在右边，一个气泡撞击一个未经处理的表面，然后弹开
经过处理的表面用于新的工作，以保持二氧化碳接近催化剂
荣誉:瓦拉纳西研究小组 研究人员发现，瓶颈在于将二氧化碳输送到催化表面，从而促进所需的化学转化
在这些电化学系统中，含二氧化碳的气体流与水混合，或者在压力下混合，或者通过在装有催化剂材料如铜的电极的容器中鼓泡混合
然后施加电压以促进化学反应，产生可转化为燃料或其他产品的碳化合物
在这种系统中有两个挑战:反应进行得如此之快，以至于到达催化剂的二氧化碳比补充的要快；如果发生这种情况，一个竞争性的反应——水分解成氢和氧——会接管并消耗掉反应中的大部分能量
以前通过对催化剂表面进行纹理化以增加反应表面积来优化这些反应的努力未能达到ir预期，因为向表面供应的二氧化碳无法跟上增加的反应速率，从而随着时间的推移转向氢气生产
研究人员通过使用靠近催化剂材料的气体吸引表面来解决这些问题
这种材料是一种特殊纹理的“亲气”超疏水材料，拒水，但允许一层光滑的气体(称为塑性体)沿其表面保持紧密
它使进入的二氧化碳流紧靠催化剂，从而使所需的二氧化碳转化反应最大化
通过使用基于染料的酸碱度指示器，研究人员能够可视化测试细胞中的二氧化碳浓度梯度，并显示二氧化碳浓度的增加来自质体
在使用该装置的一系列实验室实验中，碳转化反应的速率几乎翻倍
它也持续了一段时间，而在以前的实验中，这种反应很快就消失了
该系统产生高比例的乙烯、丙醇和乙醇——一种潜在的汽车燃料
与此同时，相互竞争的氢释放急剧减少
虽然这项新的工作使得微调系统以生产所需的产品混合物成为可能，但在某些应用中，优化作为燃料的氢气生产可能是所需的结果，这也是可以做到的
在这里，染料被用来显示水中二氧化碳的浓度水平
绿色表示二氧化碳更集中的区域，蓝色表示二氧化碳耗尽的区域
左边的绿色区域显示，由于气体吸引物质，二氧化碳在催化剂旁边保持集中
荣誉:瓦拉纳西研究小组 “重要的衡量标准是选择性，”汗说，指的是产生有价值的化合物的能力，这些化合物将由给定的材料、纹理和电压的混合物产生，并根据所需的输出来调整配置
通过将二氧化碳集中在催化剂表面，新系统还产生了两种新的潜在有用的碳化合物，丙酮和乙酸盐，这两种化合物以前从未在任何此类电化学系统中以可观的速率检测到
瓦拉纳西建议，在最初的实验室工作中，一条疏水的、吸引气体的材料被放在一个铜电极旁边，但在未来的工作中，一个实用的装置可能会使用一组密集的交错板对制成
瓦拉纳西说，与以前用纳米结构催化剂进行电化学碳还原的工作相比，“我们的表现明显优于他们所有人，因为即使是同一种催化剂，我们输送二氧化碳的方式也改变了游戏
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