小心催化转化CO₂排放成有用化学品

“通过减少二氧化碳的排放来减少二氧化碳的排放”:乍一看，这似乎并没有什么深刻的见解，但这是南安普顿大学的塞缪尔·佩里(Samuel Perry)最近的研究的基础。利用二氧化碳还原反应，一种有多种可能产物的电化学过程，Perry和他的合作者正在研究一种可以选择性转换CO的电极设计₂为乙烯。为了达到这个目的，他使用了PIMs，一种具有固有微孔隙度的聚合物，它通过阻止催化剂上气泡的形成来限制一氧化碳等副产物的产生。工业废气排放的二氧化碳可以被收集并转化为有用的产品。通过电化学减少二氧化碳，该技术有可能减少二氧化碳的排放。

2019年是有记录以来最热的十年的结束。二氧化碳(有限公司₂)的水平达到了创纪录的水平，同时，排放没有显示出峰值的迹象。减少全球有限公司₂产出是保护宜居世界的关键因素。

因此，许多国家，特别是包括所有欧盟国家在内，都承诺到2050年实现净零排放。然而，许多气候模型——尤其是那些达到1.5°C升温目标的途径——涉及到尚未发明的碳减排技术，或者至少没有被证明能大规模发挥作用。

这些技术旨在通过捕获CO来减少温室气体的排放₂并将其转化成其他材料。特别吸引人的是，利用这种气体作为碳源来合成有用的化学物质的可能性——这为减少我们对化石燃料的依赖提供了额外的好处，否则化石燃料将成为这些工业化学品的原料。例如，将二氧化碳转化为生物燃料可以补充风能和太阳能等间歇性绿色能源。

二氧化碳还原反应
有一个过程，一氧化碳₂还原反应(有限公司₂(RR)——它正是这样做的，将CO转化₂转化成重要的工业物质，如甲烷、乙烯、甲酸盐和一氧化碳。这是一种电化学过程，也就是说，电流通过包括二氧化碳在内的混合材料，通过电极施加，然后在电极上形成产品。电化学意义上的还原并不意味着降低，而是CO₂在反应过程中获得电子以达到最终产物。这与氧化相反，我们看到金属生锈或水果变成棕色。

有些产品比其他产品更可取，有些也更容易获得。一氧化碳和甲烷已被证明在反应堆规模下起作用，这意味着它们可能会在相对较短的时间内实施。使用不同的催化剂可以得到不同的含碳化合物，这些催化剂有利于不同的CO₂RR产品。

从CO中生成乙烯₂已经被证明使用铜催化剂，但有一些障碍阻止这项技术成为商业上可行的。

乙烯，也叫乙烯或C₂H₄美国是比较难以捉摸的国家之一。它是一种非常重要的化学物质，可以转化为许多产品，但到目前为止，它的主要用途是制造世界上最常用的塑料聚乙烯。已经证明用铜催化剂从二氧化碳中制造乙烯，但有一些障碍阻止这项技术在商业上可行。

扩大规模的障碍
第一个问题是，铜催化的反应除了产生乙烯外，还会产生一些其他的产物，包括一氧化碳、氢气和甲烷。

第二，放大这些反应需要使用高电流，这促使反应减少水，产生更多的氢。

这些都是重大的限制——如果这个过程在经济上可行，生产纯产品是必不可少的。

微孔:选择性的关键
能有限公司₂RR工艺的改进会产生大量的乙烯?这是英国南安普顿大学研究员塞缪尔·佩里与爱丁堡大学、蒙特利尔麦吉尔大学和德国舍弗勒集团合作解决的难题。

他的团队正在通过设计具有保护涂层的改性铜催化剂来解决这些问题₂乙烯选择性。这种涂层是沉积在催化剂上的一层薄薄的材料，覆盖在电极上。使用的电极是多孔的，由碳纤维制成，允许气体快速扩散通过电极，从而促进更高的反应速率。

这种新型的保护涂层是由具有内在微孔(pim)的聚合物制成的，你猜对了，这种材料含有非常小的孔。这些气孔太小以至于气泡不能形成，理论上是CO₂会被困在靠近催化剂表面的地方，从而延长反应时间。值得注意的是，乙烯是一种“二碳”产物，涉及在催化剂活性部位形成碳-碳键。这一过程通过不同的途径生成甲烷，并受益于长期接触催化剂。处于这种可接近状态的二氧化碳被称为“三相界面”，因为气体(CO₂)被置于液体电解质溶液中，靠近固体催化剂。

乙烯选择性试验
建立一组电极,涂一层薄的多孔铜纳米粒子,佩里和他的团队把PIMs在各种厚度、电极,用它们来执行测试,以确定如果PIM影响对乙烯反应的选择性。

实验成功的一个关键指标是对乙烯的选择性。这是通过每一个PIM厚度电极的乙烯产品百分比来测量的。这些测试给出了一个有希望的结果:与没有任何PIM的电极相比，PIM确实增加了对乙烯的选择性。事实上，PIMs将铜催化剂的选择性从19%提高到46%的乙烯。换句话说，捕获CO₂采用PIM可以有效地提高乙烯的反应速度和选择性。

一氧化碳是一氧化碳制乙烯的关键中间体₂， Perry假设PIM中的微孔阻碍了一氧化碳的释放，这意味着它可以进一步被还原成乙烯，提高了总收率。

对催化剂稳定性的意外影响
另一个重要的因素是催化剂的稳定性，这是决定聚丙烯酰胺涂层电极是否适合作为一种技术进行升级。这是CO的一个关键挑战₂还原，是因为一种被称为电极浸没的现象，这是当液体电解质渗入多孔碳电极结构。当这种情况发生时，它阻止了二氧化碳气体流向催化剂，减慢了反应速率。

PIMs将铜催化剂的选择性从19%提高到46%乙烯。

通常，通过在气体扩散电极中使用疏水成分来排斥水，可以缓解这个问题。然而，这通常不是特别有效:虽然它在一开始工作得很好，但仅仅几个小时的使用，疏水性逐渐消失。电极因水浸而失效只是时间问题。

更厚的PIM层允许更多的水在电极中积累，这意味着电极很快就会泛滥。这种效果是由于PIM比未被涂覆的电极疏水性更小。

然而，薄层的PIM表现出最小的疏水性下降，但仍然为乙烯生产提供了所有的催化效益。薄的PIM涂层还减缓了疏水性损失的速度，这意味着电极工作的时间更长。

发展未来的催化剂
同时PIM提高了铜电极在CO中的性能₂RR，技术肯定还不完善。Perry概述了进一步提高性能的改进和实现，包括改变制造PIM的物质，特别是有利于具有高疏水性的PIM材料，以减少电极浸水的机会。研究人员还建议，PIM涂层应该在纯铜以外的催化剂上进行测试;许多类型正在接受其他研究小组的测试。

这项技术在从一氧化碳中电化学合成重要化学品和燃料方面迈出了一大步₂在工业环境中可行。尤其令人兴奋的是，减少二氧化碳排放对工业来说可能会带来经济效益，这反过来会减少我们对化石燃料的依赖，并为间歇性的绿色能源提供能源保障。