Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) разработали новый электрокатализатор, который может напрямую преобразовывать углекислый газ в многоуглеродное топливо и спирты с использованием рекордно низких затрат энергии. Эта работа является последней в серии исследований, проводимых лабораторией Беркли и направленных на решение задачи создания чистой системы химического производства, которая может эффективно использовать углекислый газ.
В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), группа под руководством ученого из лаборатории Беркли Пейдонг Янг обнаружила, что электрокатализатор, состоящий из наночастиц меди, обеспечивает условия, необходимые для разрушения вниз по углекислому газу с образованием этилена, этанола и пропанола.
Все эти продукты содержат от двух до трех атомов углерода, и все они считаются ценными продуктами в современной жизни. Этилен является основным ингредиентом, используемым для изготовления пластиковых пленок и бутылок, а также труб из поливинилхлорида (ПВХ). Этанол, обычно производимый из биомассы, уже зарекомендовал себя как добавка к биотопливу для бензина. Хотя пропанол является очень эффективным топливом, в настоящее время его производство слишком дорого, чтобы его можно было использовать для этой цели.
Чтобы оценить энергетическую эффективность катализатора, ученые учитывают термодинамический потенциал продуктов - количество энергии, которое может быть получено в результате электрохимической реакции, - и количество дополнительного напряжения, необходимого сверх этого термодинамического потенциала для запуска реакции. при достаточной скорости реакции. Это дополнительное напряжение называется перенапряжением; чем ниже перенапряжение, тем эффективнее катализатор.
«В настоящее время в этой области довольно распространено изготовление катализаторов, которые могут производить многоуглеродные продукты из CO2, но эти процессы обычно работают при высоких перенапряжениях в 1 вольт для достижения заметных количеств», - сказал Ян, старший научный сотрудник факультета. Отделение материаловедения лаборатории Беркли. «То, о чем мы здесь сообщаем, гораздо сложнее. Мы обнаружили катализатор восстановления диоксида углерода, работающий при высокой плотности тока с рекордно низким перенапряжением, которое примерно на 300 мВ меньше, чем у обычных электрокатализаторов».
Кубический медный катализатор
Исследователи охарактеризовали электрокатализатор в молекулярной литейной лаборатории Беркли, используя комбинацию рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии..
Катализатор состоял из плотно упакованных медных сфер, каждая около 7 нанометров в диаметре, плотно уложенных поверх копировальной бумаги. Исследователи обнаружили, что в самый ранний период электролиза кластеры наночастиц сливались и превращались в кубоподобные наноструктуры. Кубические формы имели размер от 10 до 40 нанометров.
«Именно после этого перехода происходят реакции с образованием многоуглеродных продуктов», - сказал ведущий автор исследования Дохьюнг Ким, аспирант отдела химических наук лаборатории Беркли и отдела материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы попытались начать с предварительно сформированных наноразмерных медных кубов, но это не дало значительного количества многоуглеродных продуктов. Именно это структурное изменение в реальном времени от медных наносфер до кубоподобных структур способствует образованию многоуглеродных углеводородов. и оксигенаты."
Как именно это происходит, до сих пор неясно, сказал Ян, который также является профессором кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
«Мы знаем, что эта уникальная структура обеспечивает благоприятную химическую среду для преобразования CO2 в многоуглеродные продукты», - сказал он.«Кубические формы и связанный с ними интерфейс могут стать идеальным местом для встречи углекислого газа, воды и электронов».
Много путей перехода от CO2 к топливу
Это последнее исследование показывает, как сокращение выбросов углекислого газа становится все более активной областью исследований в области энергетики за последние несколько лет. Вместо того, чтобы использовать солнечную энергию для преобразования углекислого газа в растительную пищу, искусственный фотосинтез стремится использовать те же исходные ингредиенты для производства химических прекурсоров, обычно используемых в синтетических продуктах, а также в виде топлива, такого как этанол..
Исследователи из лаборатории Беркли взялись за различные аспекты этой задачи, например, за контроль продукта, который получается в результате каталитических реакций. Например, в 2016 году была разработана гибридная система полупроводников-бактерий для производства ацетата из CO2 и солнечного света. Ранее в этом году другая исследовательская группа использовала фотокатализатор для преобразования углекислого газа почти исключительно в монооксид углерода. Совсем недавно появились сообщения о новом катализаторе для эффективного производства смесей синтез-газа или синтез-газа.
Исследователи также работали над повышением энергоэффективности сокращения выбросов углекислого газа, чтобы системы можно было масштабировать для промышленного использования.
Недавняя статья, подготовленная исследователями лаборатории Беркли из Объединенного центра искусственного фотосинтеза, использует фундаментальную науку, чтобы показать, как оптимизация каждого компонента всей системы может достичь цели производства топлива на солнечной энергии с впечатляющими показателями энергоэффективности.
Это новое исследование PNAS фокусируется на эффективности катализатора, а не всей системы, но исследователи отмечают, что катализатор может быть подключен к различным возобновляемым источникам энергии, включая солнечные батареи.
Используя значения, уже установленные для других компонентов, таких как коммерческие солнечные элементы и электролизеры, мы прогнозируем энергоэффективность производства электроэнергии и солнечной энергии до 24.1 и 4,3 процента для продуктов с содержанием углерода от двух до трех соответственно», - сказал Ким.
Ким подсчитал, что если бы этот катализатор был включен в электролизер как часть солнечной топливной системы, материал площадью всего 10 квадратных сантиметров мог бы производить около 1,3 грамма этилена, 0,8 грамма этанола и 0,2 грамма пропанола в день..
«Поскольку отдельные компоненты солнечной топливной системы постоянно совершенствуются, эти показатели должны со временем улучшаться», - сказал он.