顆粒在線訊：研究揭示了將溫室氣體轉(zhuǎn)化為燃料的一些嘗試失敗的原因，另外還提供了可能的解決方案。據(jù)了解，如果研究人員能夠找到一種將二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化為燃料或其他產(chǎn)品的方法，他們可能會(huì)在溫室氣體排放方面取得重大突破。

然而，許多在實(shí)驗(yàn)室里看起來(lái)很有希望的此類工藝在適合用于發(fā)電廠或其他排放源的放大形式中卻并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員已經(jīng)確定、量化并模擬了此類轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能不佳的一個(gè)主要原因。罪魁禍?zhǔn)自瓉?lái)是緊挨著用于催化轉(zhuǎn)換的電極的二氧化碳?xì)怏w的局部耗竭。研究小組發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)解決，即在特定的時(shí)間間隔以內(nèi)脈沖方式關(guān)閉和開(kāi)啟電流，這樣就能讓氣體有時(shí)間重新積聚到電極旁邊的所需水平。

這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)刺激開(kāi)發(fā)各種電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的材料和設(shè)計(jì)的進(jìn)展，該項(xiàng)研究成果則于2022年1月11日發(fā)表在《Langmuir》上，論文作者為MIT博士后álvaro Moreno Soto、研究生Jack Lake和機(jī)械工程教授Kripa Varanasi。

Varanasi說(shuō)道：“我認(rèn)為，緩解二氧化碳是我們這個(gè)時(shí)代的重要挑戰(zhàn)之一?！彪m然該領(lǐng)域的大部分研究都集中在碳捕獲和封存方面，即把氣體泵入某種地下深層水庫(kù)或轉(zhuǎn)化為惰性固體如石灰石，但另一個(gè)有前景的途徑是把氣體轉(zhuǎn)化為其他碳化合物如甲烷或乙醇用作燃料，或乙烯--作為有用聚合物的前體。

有幾種方法可以進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換，其中包括電化學(xué)、熱催化、光熱或光化學(xué)過(guò)程。Varanasi表示：“其中每一種都有問(wèn)題或挑戰(zhàn)。”他稱，熱過(guò)程需要非常高的溫度且它們不會(huì)產(chǎn)生非常高價(jià)值的化學(xué)產(chǎn)品，這對(duì)光活化過(guò)程也是一個(gè)挑戰(zhàn)，“效率總是在起作用，總是一個(gè)問(wèn)題?！?/p>

據(jù)悉，該研究團(tuán)隊(duì)專注于電化學(xué)方法，目標(biāo)是獲得高碳產(chǎn)品--含有更多碳原子的化合物，由于其單位重量或體積的能量，往往是更高價(jià)值的燃料。在這些反應(yīng)中，最大的挑戰(zhàn)是遏制可能同時(shí)發(fā)生的競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)，特別是水分子分裂成氧氣和氫氣。

當(dāng)溶解有二氧化碳的液體電解質(zhì)流經(jīng)過(guò)帶電的金屬催化表面時(shí)，反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。但是，當(dāng)二氧化碳被轉(zhuǎn)化時(shí)，它在電解質(zhì)流中留下了一個(gè)區(qū)域，在那里它基本上已經(jīng)被用完，因此在這個(gè)耗盡的區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)轉(zhuǎn)向水的分裂。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種不必要的反應(yīng)消耗了能量并大大降低了轉(zhuǎn)換過(guò)程的整體效率。

Varanasi說(shuō)道：“有許多小組在研究這個(gè)問(wèn)題，也有許多催化劑在那里。在所有這些中，我認(rèn)為氫氣的共同演化成為一個(gè)瓶頸?！?/p>

他們發(fā)現(xiàn)，抵消這種耗竭的一種方法可以通過(guò)脈沖系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)--簡(jiǎn)單地關(guān)閉電壓、停止反應(yīng)并讓二氧化碳有時(shí)間擴(kuò)散回耗竭區(qū)并再次達(dá)到可用的水平，然后恢復(fù)反應(yīng)的一個(gè)周期。

研究人員稱，通常情況下，一些團(tuán)體已經(jīng)找到了有前景的催化劑材料，但他們的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試沒(méi)有運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)觀察這些耗竭效應(yīng)，因此在試圖擴(kuò)大他們的系統(tǒng)時(shí)受到了挫折。此外，催化劑旁邊的二氧化碳濃度決定了所制造的產(chǎn)品。因此，耗竭也會(huì)改變所生產(chǎn)的產(chǎn)品的組合并可能使該過(guò)程不可靠?！叭绻阆肽軌蛑圃煲粋€(gè)在工業(yè)規(guī)模上工作的系統(tǒng)，那么你需要能夠長(zhǎng)期運(yùn)行東西，”Varanasi說(shuō)道，“而且你需要沒(méi)有這些種類的影響，降低工藝的效率或可靠性。”

該團(tuán)隊(duì)研究了三種不同的催化劑材--其中包括銅，并且“我們真正專注于確保我們理解并能夠量化耗竭效應(yīng)，”Lake表示。在這個(gè)過(guò)程中，他們能夠開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單而可靠的方法，即通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)電解液中不斷變化的pH值（一種衡量酸度的標(biāo)準(zhǔn)）來(lái)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率。

在他們的測(cè)試中，他們使用的是更為復(fù)雜的分析工具來(lái)表征反應(yīng)產(chǎn)物，其中包括氣相色譜分析氣態(tài)產(chǎn)物及核磁共振表征該系統(tǒng)的液體產(chǎn)物。但他們的分析表明，在操作過(guò)程中對(duì)電極旁邊的電解液進(jìn)行簡(jiǎn)單的pH值測(cè)量就能充分衡量反應(yīng)進(jìn)行時(shí)的效率。

Moreno Sot指出，這種方便地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的能力最終可能導(dǎo)致一個(gè)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)反饋控制所需化合物的生產(chǎn)速度。

研究人員稱，現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程被理解和量化了，這可能會(huì)開(kāi)發(fā)出其他緩解二氧化碳消耗的方法，并且可以很容易地使用他們的方法進(jìn)行測(cè)試。

Lake稱，這項(xiàng)工作表明，在這樣一個(gè)電催化系統(tǒng)中，無(wú)論使用催化劑材料是什么都會(huì)受到這個(gè)問(wèn)題的影響，但現(xiàn)在，通過(guò)使用他們開(kāi)發(fā)的模型，有可能準(zhǔn)確地確定需要評(píng)估什么樣的時(shí)間窗口以準(zhǔn)確了解材料的整體效率及什么樣的系統(tǒng)操作可以使其效率最大化。