将二氧化碳转化为液体燃料

催化剂加速化学反应并形成许多工业过程的支柱。例如，它们对于将重油转化为汽油或喷气燃料至关重要。今天，催化剂涉及所有制成品的 80% 以上。

由美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室领导的一个研究小组与北伊利诺伊大学合作，发现了一种新的电催化剂，可以将二氧化碳 (CO2) 和水转化为乙醇，具有非常高的能源效率和高选择性。所需的最终产品和低成本。乙醇是一种特别受欢迎的商品，因为它是几乎所有美国汽油的成分，并被广泛用作化学、制药和化妆品行业的中间产品。

“我们的催化剂产生的过程将有助于循环碳经济，这需要二氧化碳的再利用，”阿贡大学化学科学与工程部门的高级化学家、普利兹克分子学院的 UChicago CASE 科学家刘迪佳说芝加哥大学工程学。该过程将通过将工业过程(例如化石燃料发电厂或酒精发酵厂)排放的 CO2以合理的成本电化学转化为有价值的商品来实现这一点。

该团队的催化剂由原子分散在碳粉载体上的铜组成。通过电化学反应，该催化剂分解CO2和水分子，并在外部电场下选择性地将破碎的分子重新组装成乙醇。该工艺的电催化选择性或“法拉第效率”超过 90%，远高于任何其他报道的工艺。更重要的是，该催化剂在低压下长时间运行时运行稳定。

“通过这项研究，我们发现了一种将二氧化碳和水转化为乙醇的新催化机制，”北伊利诺伊大学物理化学和纳米技术教授徐涛说。“该机制还应该为开发用于将二氧化碳转化为大量增值化学品的高效电催化剂奠定基础。”

因为CO2是一种稳定的分子，所以将其转化为不同的分子通常是能量密集型且成本高昂的。然而，根据 Liu 的说法，“我们可以将使用我们的催化剂将 CO2转化为乙醇的电化学过程耦合到电网，并在非高峰时段利用太阳能和风能等可再生能源提供的低成本电力。”由于该过程在低温和低压下运行，它可以快速启动和停止以响应可再生电力的间歇性供应。

该团队的研究得益于位于阿贡的两个 DOE 科学用户设施办公室——高级光子源 (APS) 和纳米材料中心 (CNM)——以及阿贡的实验室计算资源中心 (LCRC)。“由于 APS 处 X 射线束的高光子通量，我们在电化学反应过程中捕捉到了催化剂的结构变化，”北伊利诺伊州化学与生物化学系助理教授 Tao Li 说大学和阿贡大学 X 射线科学部门的助理科学家。这些数据以及 CNM 的高分辨率电子显微镜和使用 LCRC 的计算模型揭示了从原子分散的铜到三个铜原子簇的可逆转变，每个铜原子簇在应用低电压。对乙醇的催化作用发生在这些微小的铜簇上。这一发现揭示了通过合理设计进一步改进催化剂的方法。

“我们使用这种方法制备了几种新催化剂，发现它们在将 CO2转化为其他碳氢化合物方面都非常高效，”刘说。“我们计划与行业合作继续这项研究，以推进这项有前途的技术。”