“反向燃料电池”以创纪录的速度将废碳转化为有价值的产品

燃料电池将化学物质转化为电能。现在，多伦多大学的一个工程团队已经将燃料电池的技术应用于相反的情况：利用电力从废碳 (CO2) 中制造有价值的化学物质。

“几十年来，才华横溢的研究人员一直在开发将电能转化为氢气并再转换回来的系统，”发表在《科学》杂志上的论文的高级作者之一泰德萨金特教授说。“我们的创新建立在这一传统之上，但通过使用碳基分子，我们可以直接插入现有的碳氢化合物基础设施。”

在氢燃料电池中，氢和氧在催化剂表面聚集在一起。化学反应释放电子，这些电子被燃料电池内的特殊材料捕获并泵入电路。

与燃料电池相反的是电解槽，它使用电力来驱动化学反应。该论文的作者是设计将 CO2转化为其他碳基分子(如乙烯)的电解槽的专家。该团队包括由 David Sinton 教授指导的博士生 Adnan Ozden，以及 Sargent 团队的几名成员，包括博士生 Joshua Wicks、博士后 F. Pelayo Garcíade Arquer 和前博士后 Cao-Thang Dinh。

“乙烯是世界上生产最广泛的化学品之一，”威克斯说。“它被用来制造从防冻剂到草坪家具的所有东西。今天它来自化石燃料，但如果我们可以通过升级废弃的 CO2来制造它，它将为捕获碳提供新的经济激励。”

今天的电解槽生产乙烯的规模还不足以与源自化石燃料的乙烯竞争。部分挑战在于将 CO2转化为乙烯和其他碳基分子的化学反应的独特性质。

“该反应需要三样东西：气体 CO2;来自液态水的氢离子;以及通过金属催化剂传输的电子，”Ozden 说。“将这三个不同的相——尤其是 CO2——快速结合起来是一项挑战，而这正是限制反应速率的原因。”

在他们最新的电解槽设计中，该团队使用独特的材料排列来克服将反应物聚集在一起的挑战。电子是使用该团队之前开发的铜基催化剂传递的。但新电解槽中的催化剂不是一块平板金属，而是以小颗粒的形式嵌入一层称为 Nafion 的材料中。

Nafion 是一种离聚物——一种可以传导被称为离子的带电粒子的聚合物。今天，它通常用于燃料电池，其作用是在反应器内传输带正电的氢 (H+) 离子。

“在我们的实验中，我们发现 Nafion 的某种排列可以促进 CO2等气体的运输，”Garcíade Arquer 说。“我们的设计使气体反应物能够足够快地以足够分散的方式到达催化剂表面，从而显着提高反应速率。”

由于反应不再受三种反应物聚合速度的限制，该团队能够将 CO2转化为乙烯和其他产品的速度比以前快 10 倍。他们在不降低反应器整体效率的情况下实现了这一目标，这意味着以大致相同的资本成本获得更多产品。

尽管取得了进展，但该设备距离商业可行性还有很长的路要走。剩下的主要挑战之一与催化剂在新的更高电流密度下的稳定性有关。

Dinh 说：“我们可以将电子泵入速度提高 10 倍，这很棒，但我们只能在催化剂层分解之前使系统运行大约 10 小时。”“这距离工业应用所需的数千小时的目标还很远。”

现在是皇后大学化学工程教授的 Dinh 正在继续研究稳定催化剂层的新策略，例如进一步修改 Nafion 的化学结构或添加额外的层来保护它。

其他团队成员计划应对不同的挑战，例如优化催化剂以生产乙烯以外的其他具有商业价值的产品。

“我们以乙烯为例，但这里的原理可以应用于合成其他有价值的化学品，包括乙醇，”威克斯说。“除了许多工业用途外，乙醇还被广泛用作燃料。”

以碳中和方式生产燃料、建筑材料和其他产品的能力是减少我们对化石燃料依赖的重要一步。

“即使我们停止使用石油作为能源，我们仍然需要所有这些分子，”Garcíade Arquer 说。“如果我们可以使用废弃的 CO2和可再生能源生产它们，我们就可以对我们的经济脱碳产生重大影响。”