铜纳米粒子会产生高效的CO2 - 燃料转换

由铜纳米颗粒制成的新型催化剂的示意图，其将二氧化碳转化为多元商产物（乙烯，乙醇和丙醇）。在左上角是铜纳米粒子的透射电子显微镜图像。将纳米颗粒从球体转化为立方体状结构是保持能量输入低对反应的关键。(

新的研究详细介绍了由铜纳米粒子组成的电催化剂如何提供分解二氧化碳以形成乙烯，乙醇和丙醇所需的条件。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家开发了一种新的电催化剂，可以使用记录低能量输入直接将二氧化碳和醇转化为多元燃料和醇。这项工作是在伯克利实验室出来的最新研究，解决了创造一种可以将二氧化碳放入良好使用的清洁化学制造系统的挑战。

在新的研究中，本周在全国科学院的诉讼程序中发表，由伯克利实验室科学家培刚杨领导的团队发现，由铜纳米粒子组成的电催化剂提供了分解二氧化碳以形成乙烯，乙醇所需的条件和丙醇。

所有这些产品含有两到三个碳原子，所有这些都被认为是现代生活中的高价值产品。乙烯是用于制造塑料薄膜和瓶子以及聚氯乙烯（PVC）管的基本成分。通常由生物量制成的乙醇已经建立了它作为汽油的生物燃料添加剂的地方。虽然丙醇是一种非常有效的燃料，但目前的制造目前太昂贵地用于该目的。

为了衡量催化剂的能量效率，科学家认为产品的热力学潜力 - 可以在电化学反应中获得的能量 - 以及高于热力学电位以充分的反应率驱动反应的额外电压的量。额外的电压称为过势;过电位越低，催化剂越高。

“这在该领域中是相当常见的，使得能够产生来自CO2的多种用产品的催化剂，但这些过程通常在1伏的高度过电位下运行以获得可观的数量，”伯克利实验室的材料科学院师师傅的高级教师科学家杨说。“我们在这里报告的是更具有挑战性的。我们发现了一种用于在高电流密度下操作的二氧化碳减少的催化剂，其记录低过电位，比典型的电催化剂小约300毫伏。“

立方体样铜

研究人员使用X射线光电子能谱，透射电子显微镜和扫描电子显微镜的组合在于伯克利实验室分子铸造的电催化剂。

催化剂由紧密包装的铜球组成，每个直径约7纳米，以密集的方式在碳纸上分层。研究人员发现，在电解的早期期间，纳米颗粒的簇融合并转化成立方体状纳米结构。立方体状形状的大小为10至40纳米。

“经过这种转变，形成了形成多元商品的反应，”伯克利实验室化学科学研究科学研究科学生研究生和UC伯克利材料科学与工程系，研究领导作者Dohyung Kim。“我们试图用预先形成的纳米级铜多维数据集开始，但这并没有产生大量的多种多元产品。这是从铜纳米球到立方体状结构的这种实时结构变化，这促进了多元碳酸烃和含氧化合物。“

杨先生说，既发生了这种情况，仍然尚不清楚，他也是UC Berkeley材料科学与工程系的教授。

“我们所知道的是，这种独特的结构为二氧化碳转换提供了有益的化学环境，”他说。“立方体形状和相关接口可以提供一个理想的会议场所，其中二氧化碳，水和电子可以走到一起。”

CO2到燃料之旅中的许多道路

最新的研究举例说明了在过去几年中，二氧化碳减少如何成为能源研究中越来越活跃的领域。而不是利用太阳的能量将二氧化碳转化为植物食品，而是人造光合作用寻求使用相同的起始成分来生产常用于合成产品的化学前体以及乙醇等燃料。

伯克利实验室的研究人员已经采取了这一挑战的各个方面，例如控制出催化反应出来的产品。例如，在2016年，开发了一种杂种半导体细菌系统，用于从二氧化碳和阳光下生产醋酸盐。今年早些时候，另一个研究团队使用光催化剂，几乎专门为一氧化碳转换二氧化碳。最近，据报道了一种新的催化剂，用于有效生产合成气体混合物或合成气。

研究人员还致力于增加二氧化碳减少的能量效率，以便可以扩大系统以进行工业用途。

最近由伯克利实验室研究人员在人造光合作用联合中心领导的纸张利用基本科学来展示如何优化整个系统的每个部件，可以实现太阳能燃料生产的目标，以令人印​​象深刻的能源效率。

这种新的PNAS研究侧重于催化剂而不是整个系统的效率，但研究人员指出，催化剂可以钩住多种可再生能源，包括太阳能电池。

“通过利用已经为其他组件（例如商业太阳能电池和电解器）的价值，我们将电力到产品和太阳能产品的能量效率分别为两〜三碳产品的24.1和4.3％投制电力 - 产品和太阳能的能量效率， “Kim说。

KIM估计，如果将该催化剂掺入电解槽中作为太阳能燃料系统的一部分，则仅10平方厘米的材料可以产生约1.3克乙烯，0.8克乙醇，每天0.2克丙醇。

“随着太阳能燃料系统的近距离组成的持续改进，这些数字应该随着时间的推移而继续改善，”他说。

该工作是通过伯克利实验室的催化研究计划进行的，由Doe的科学办公室资助。分子铸造厂是一个科学用户设施的DOE办事处。

出版物：Dohyung Kim，等。“铜纳米粒子合奏，用于选择性电荷CO2至C2-C3，”2017年PNAS; DOI：10.1073 / pnas.1711493114