从二氧化碳获得碳中性燃料的新途径

如果乘坐电池驱动的商用飞机飞行的想法让您感到紧张，您可以放松一下。研究人员发现了将二氧化碳转化为可持续液体燃料的实际起点，包括用于可能很难实现电气化的重型运输方式的燃料，例如飞机、轮船和货运列车。

CO 2的碳中和再利用已成为将温室气体掩埋在地下的替代方案。在今天发表在《自然能源》杂志上的一项新研究中，斯坦福大学和丹麦技术大学 (DTU) 的研究人员展示了电力和地球资源丰富的催化剂如何比传统方法更好地将 CO2转化为富含能量的一氧化碳 (CO)。催化剂——氧化铈——更耐分解。将CO 2中的氧气汽提成CO 气体是转化CO2的第一步几乎所有液体燃料和其他产品，如合成气和塑料。向二氧化碳中添加氢气可以生产合成柴油等燃料和相当于喷气燃料的燃料。该团队设想使用可再生能源制造二氧化碳并进行后续转化，从而产生碳中和产品。

“我们展示了我们可以使用电力以 100% 的选择性将 CO2还原为 CO，并且不会产生不希望的固体碳副产物，”斯坦福大学材料科学与工程副教授 William Chueh 说，他是该研究的三位资深作者之一。纸。

Chueh 了解到 DTU 在这方面的研究，邀请 DTU 能源转换与存储系副教授 Christopher Graves 和当时的 DTU 博士生 Theis Skafte 来到斯坦福，共同研究这项技术。

“我们多年来一直致力于高温 CO2电解，但与斯坦福大学的合作是这一突破的关键，”该研究的主要作者、现为 DTU 博士后研究员的 Skafte 说。“我们实现了我们无法单独拥有的东西——对更坚固材料的基本理解和实际演示。”

转换的障碍

与交通电气化相比，可持续液体燃料的一个优势是它们可以使用现有的汽油和柴油基础设施，如发动机、管道和加油站。此外，飞机和船舶电气化的障碍——长途旅行和电池的高重量——对于能量密集、碳中性燃料来说不会是问题。

尽管植物自然地将 CO2还原为富含碳的糖类，但人工电化学生成 CO 的途径尚未广泛商业化。其中的问题是：设备使用过多的电力，转化的 CO2分子百分比很低，或者产生会破坏设备的纯碳。这项新研究的研究人员首先检查了不同设备在 CO2电解中的成功和失败情况。

根据获得的见解，研究人员构建了两个用于 CO2转化测试的电池：一个使用氧化铈，另一个使用传统的镍基催化剂。二氧化铈电极保持稳定，而碳沉积物损坏了镍电极，大大缩短了催化剂的寿命。

“二氧化铈的这种非凡能力对 CO 2电解装置的实际使用寿命具有重大影响，”该研究的资深作者、当时斯坦福大学访问学者 DTU 的格雷夫斯说。“在下一代电解槽中用我们新的二氧化铈电极替换当前的镍电极将提高设备的使用寿命。”

商业化之路

消除早期细胞死亡可以显着降低商业 CO 生产的成本。碳积聚的抑制还允许新型装置将更多的 CO2转化为 CO，这在当今的电池中被限制在远低于 50% 的 CO 产物浓度。这也可以降低生产成本。

“二氧化铈的碳抑制机制是基于以稳定的氧化形式捕获碳。我们能够用高温下CO2还原的计算模型来解释这种行为，然后用细胞的 X 射线光电子能谱证实这一点在运行中，”该论文的资深作者、SUNCAT 界面科学与催化中心的副研究员 Michal Bajdich 说，该中心是 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学工程学院的合作伙伴。

捕获 CO 2的高成本已成为将其大规模封存到地下的障碍，而高成本可能成为使用 CO2制造更可持续的燃料和化学品的障碍。然而，这些产品的市场价值加上避免碳排放的费用可以帮助使用 CO2的技术更快地克服成本障碍。

研究人员希望他们通过光谱学和建模揭示 CO2电解装置机制的初步工作将有助于其他人调整二氧化铈和其他氧化物的表面性质，以进一步改善 CO2电解。

Chueh 还是斯坦福大学 Precourt 能源研究所的高级研究员。其他斯坦福大学的合著者是博士生关子轩、博士后 Michael Machala、前博士后 Matteo Monti 和 Chirranjeevi B. Gopal，以及 SLAC 博士后 Jose A. Garrido Torres。DTU 的其他合著者是博士生 Lev Martinez、nanolab 小组组长 Eugen Stamate 和研究员 Simone Sanna。其他合著者是劳伦斯伯克利国家实验室的研究科学家 Ethan J. Crumlin 和都柏林三一学院的助理教授 Max Garcia Melchor。

该项目得到了 Haldor Topsoe A/S、丹麦创新基金、丹麦科学、技术与创新署和 Energinet.dk.、美国能源部、SUNCAT 中心和国家科学基金会职业奖的支持。