作者:劳伦斯·伯克利国家实验室的雷切尔·伯克维茨
铜表面的两层薄膜示意图，称为离聚物
带负电荷的离聚物Nafion提高了表面附近的pH值
带正电荷的离聚物“维持”更强烈地吸引二氧化碳
这些效应与脉冲电压相结合，大大提高了二氧化碳转化为有价值的富碳产品的速率
学分:伯克利实验室 二氧化碳(CO2)是燃烧化石燃料的产物，也是最普遍的温室气体，有可能被可持续地转化为有用的燃料
将二氧化碳排放物转化为燃料原料的一个有前途的途径是被称为电化学还原的过程
但是为了在商业上可行，该方法需要改进，以选择或产生更大量的期望的富碳产品
现在，正如《自然能源》杂志报道的那样，劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员通过开发一种新的方法来修饰用于辅助反应的铜催化剂的表面，从而提高了该过程的选择性
“尽管我们知道铜是这一反应的最佳催化剂，但它并不能为所需的产品提供高选择性，”伯克利实验室化学科学部的资深科学家、加州大学伯克利分校化学工程教授亚历克西斯·贝尔(Alexis Bell)说
“我们的团队发现，您可以利用催化剂的本地环境来实现各种技巧，以提供这种选择性
" 在之前的研究中，研究人员已经建立了精确的条件，为创造商业上有趣的富碳产品提供了最佳的电气和化学环境
但是这些条件与使用水基导电材料的典型燃料电池中自然出现的条件相反
为了找到一种可用于燃料电池水环境的设计，贝尔和他的团队，作为能源部液态阳光联盟能源创新中心项目的一部分，转向了离子聚合物薄层，这种聚合物允许某些带电分子(离子)通过，同时排除其他分子
由于它们的高选择性化学性质，它们特别适合对微环境产生强烈的影响
贝尔团队的博士后研究员、该论文的第一作者单永金建议在铜催化剂表面涂覆两种常见的离聚物，Nafion和Sustainion
研究小组假设，这样做可以改变催化剂附近的环境，包括酸碱度、水和二氧化碳的含量，从而引导反应生成富含碳的产品，这些产品可以很容易地转化为有用的化学物质和液体燃料
研究人员在由聚合物材料支撑的铜膜上涂上一薄层离子交联聚合物，以及两层离子交联聚合物，形成薄膜，可以插入手型电化学电池的一端
在给电池注入二氧化碳并施加电压的同时，他们测量了流经电池的总电流
然后他们测量了反应过程中收集在相邻容器中的气体和液体
对于两层的情况，他们发现富碳产品占反应消耗能量的80%，高于未涂覆情况下的60%
贝尔说:“这种夹层涂层兼顾了两者的优点:高产品选择性和高活性。”
双层表面不仅有利于富含碳的产品，同时还能产生强电流，表明活性增加
研究人员的结论是，反应的改善是铜表面涂层中高浓度二氧化碳的结果
此外，聚集在两个离聚物之间的带负电荷的分子产生了低的局部酸度
该组合对抗了在没有离聚物膜的情况下倾向于发生的浓度权衡
为了进一步提高反应效率，研究人员转向了一种以前被证明过的技术，没有离聚物膜，作为另一种增加二氧化碳和酸碱度的方法:脉冲电压
通过使用双层离聚物涂层的脉冲电压，与未涂覆的铜和静态电压相比，研究人员实现了富碳产品增加250%
虽然一些研究人员将工作重点放在开发新催化剂上，但催化剂的发现并没有考虑操作条件
控制催化剂表面的环境是一种新的不同的方法
该论文的合著者、伯克利实验室能源技术领域的高级工作人员科学家亚当·韦伯(Adam Weber)表示:“我们没有拿出一种全新的催化剂，而是利用我们对反应动力学的了解，并利用这些知识来指导我们思考如何在catalyst网站上改变环境。”
下一步是扩大涂层催化剂的生产规模
伯克利实验室团队的初步实验涉及小型的平面模型系统，与商业应用所必需的大面积多孔结构相比，这种系统更容易操作
“给平面涂上一层并不难
但商业方法可能包括涂覆微小的铜球，”贝尔说
添加第二涂层变得具有挑战性
一种可能性是将两种涂层在溶剂中混合并沉积在一起，并希望它们随着溶剂的蒸发而分离
如果他们没有呢？贝尔总结道:“我们必须变得更加聪明
"
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