麻省理工学院的研究人员发现了一个问题，这个问题往往会限制将二氧化碳转化为燃料或其他有用化学物质的化学过程，以及解决这个问题的方法。功劳:瓦拉纳西实验室如果研究人员能够找到一种将二氧化碳化学转化为燃料或其他产品的方法，他们可能会在温室气体排放方面取得重大进展。但是，许多在实验室看来很有希望的工艺并没有像预期的那样以适合发电厂或其他排放源的放大形式运行。现在，麻省理工学院的研究人员已经确定、量化并模拟了这种转换系统性能不佳的主要原因。罪魁祸首是催化转化的电极旁边的二氧化碳气体的局部耗尽。研究小组发现，这个问题可以通过简单地以特定的时间间隔打开和关闭脉冲电流来缓解，让气体有时间在电极旁边积累到所需的水平。
这些发现可能会推动电化学二氧化碳转化系统的各种材料和设计的开发进展，今天发表在《朗缪尔》杂志上，由麻省理工学院博士后Á·阿尔瓦罗·莫雷诺·索托、研究生杰克·莱克和机械工程教授克里帕·瓦拉纳西撰写。
瓦拉纳西说:“我认为，减少二氧化碳排放是我们这个时代的重要挑战之一。虽然该领域的大部分研究都集中在碳捕获和封存上，即气体被泵入某种深层地下储层或转化为石灰石等惰性固体，但另一个有希望的途径是将气体转化为甲烷或乙醇等其他碳化合物，用作燃料，或用作有用聚合物前体的乙烯。
有几种方法可以实现这种转化，包括电化学、热催化、光热或光化学过程。“这些都有问题或挑战，”瓦拉纳西说。他说，热过程需要非常高的温度，而且它们不会产生非常高价值的化学产品，这对光活化过程也是一个挑战。“效率总是在起作用，总是一个问题。”
该团队专注于电化学方法，目标是获得“高碳产品”——含有更多碳原子的化合物，由于其单位重量或体积的能量，往往是更高价值的燃料。在这些反应中，最大的挑战是抑制同时发生的竞争性反应，尤其是水分子分裂成氧和氢的反应。
当溶解有二氧化碳的液体电解质流通过带电的金属催化表面时，反应发生。但是随着二氧化碳被转化，它会在电解质流中留下一个区域，在那里它基本上被用完了，因此在这个耗尽的区域内的反应会转向水分裂。研究人员发现，这种不必要的反应消耗了能量，大大降低了转化过程的整体效率。
瓦拉纳西说:“有很多小组在研究这个问题，也有很多催化剂在那里。“在所有这些方面，我认为氢的协同进化成为一个瓶颈。”
他们发现，抵消这种耗尽的一种方法可以通过脉冲系统来实现——一个简单地关闭电压、停止反应并给二氧化碳时间扩散回耗尽区并再次达到可用水平，然后恢复反应的循环。
研究人员说，通常情况下，研究小组已经发现了有前途的催化剂材料，但没有进行足够长时间的实验室测试来观察这些耗尽效应，因此在试图扩大系统规模时受到了挫折。此外，催化剂旁边的二氧化碳浓度决定了所生产的产品。因此，耗尽还会改变所生产产品的混合，并使生产过程变得不可靠。“如果你想让一个系统在工业规模上运行，你需要能够长时间运行，”瓦拉纳西说，“你不需要有这种降低过程效率或可靠性的影响。”
莱克说，该团队研究了包括铜在内的三种不同的催化剂材料，“我们真正专注于确保我们理解并能够量化耗尽效应”。在此过程中，他们能够开发出一种简单可靠的方法，通过测量系统电解液中不断变化的酸碱度(酸度的一种衡量标准)来监控转化过程的效率。
在测试中，他们使用了更复杂的分析工具来表征反应产物，包括用于分析气体产物的气相色谱，以及用于系统液体产物的核磁共振表征。但他们的分析表明，在操作过程中，对电极旁边的电解液进行简单的酸碱度测量，可以充分衡量反应进行过程中的效率。
莫雷诺·索托说，这种轻松实时监控反应的能力最终可能导致一个通过机器学习方法优化的系统，通过持续反馈控制所需化合物的生产率。
研究人员说，既然这一过程已经被理解和量化，其他缓解二氧化碳消耗的方法可能会被开发出来，并且很容易用他们的方法进行测试。
莱克说，这项工作表明，“无论你的催化剂材料是什么”，在这样一个电催化系统中，“你都会受到这个问题的影响。”现在，通过使用他们开发的模型，有可能准确地确定需要评估什么样的时间窗口来准确地了解材料的整体效率，以及什么样的系统操作可以最大限度地提高其有效性。
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
