创新的“反向燃料电池”将废二氧化碳转化为有价值的化学品的速度提高了十倍

左到右：Adnan Ozden，Joshua Wicks和F. PelayoGarcíade Arquer是设计电解槽的团队成员，该电解槽将二氧化碳转化为有价值的产品的速度是以前版本的10倍。

燃料电池将化学物质转化为电能。现在，多伦多大学工程团队已经采用了燃料电池的技术来实现相反的效果：利用电力从废碳（CO2）中制造出有价值的化学物质。

2020年2月7日在《科学》杂志上发表论文的资深作者之一泰德·萨金特教授（ECE）说：“几十年来，才华横溢的研究人员一直在开发将电能转换为氢气然后再转换回氢气的系统。“我们的创新是建立在这一传统的基础上的，但是通过使用碳基分子，我们可以直接插入现有的碳氢化合物基础设施中。”

在氢燃料电池中，氢和氧一起在催化剂的表面上结合。化学反应释放出电子，这些电子被燃料电池内的特殊材料捕获并被泵送到电路中。

燃料电池的对面是一个电解器，它利用电来驱动化学反应。这篇新论文的作者是设计电解器的专家，该电解器将CO2转化为其他基于碳的分子，例如乙烯。该团队包括由David Sinton教授（MIE）监督的MIE博士候选人Adnan Ozden，以及Sargent团队的几名成员，包括ECE博士候选人Joshua Wicks，ECE博士后研究员F. PelayoGarcíade Arquer和前ECE博士后研究员曹唐定。

在改进的电解槽中，反应发生在薄层中，该薄层将铜基催化剂与离子传导聚合物Nafion结合在一起。这些材料的独特排列提供了比以前的设计高10倍的反应速率。

威克斯说：“乙烯是世界上生产最广泛的化学品之一。”“它用于制造从防冻剂到草坪家具的所有产品。今天，它来自化石燃料，但如果我们可以通过提高废二氧化碳的排放量来实现，它将为捕集碳提供新的经济动力。”

当今的电解器尚无法生产出足以与化石燃料衍生的乙烯竞争的规模大的乙烯。部分挑战在于化学反应的独特性质，该化学反应将CO2转化为乙烯和其他基于碳的分子。

“反应需要三件事：CO2，是一种气体；来自液态水的氢离子；以及通过金属催化剂传输的电子。”奥兹登说。“将这三个不同的阶段（尤其是二氧化碳）迅速整合在一起是具有挑战性的，这限制了反应速度。”

在最新的电解槽设计中，该团队使用了独特的材料布置，以克服将反应物聚集在一起的挑战。电子是使用该团队先前开发的铜基催化剂输送的。但是新型电解器中的催化剂不是金属平板，而是嵌入在称为Nafion的材料层中的小颗粒形式。

Nafion是离聚物-一种可以传导带电粒子（称为离子）的聚合物。如今，它通常用于燃料电池中，其作用是在反应堆内部传输带正电的氢（H +）离子。

Garcíade Arquer说：“在我们的实验中，我们发现Nafion的某种排列方式可以促进二氧化碳等气体的运输。”“我们的设计使气体反应物能够以足够快的速度和足够的分布方式到达催化剂表面，从而显着提高反应速度。”

由于反应不再受限于三种反应物的聚集速度，因此该团队能够将CO2转化为乙烯和其他产物的速度比以前快10倍。他们在不降低反应堆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了更多的产品。

尽管取得了进步，但该装置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在新的更高电流密度下催化剂的稳定性有关。

Dinh说：“我们可以以10倍快的速度泵浦电子，这很棒，但是在催化剂层破裂之前，我们只能将系统运行约十小时。”“这仍然远远没有达到工业应用需要数千小时的目标。”

现在，女王大学（Queen’s University）的化学工程学教授丁（Dinh）通过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催化剂）来继续这项工作。

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除乙烯以外的其他具有商业价值的产品。

威克斯说：“我们以乙烯为例，但是这里的原理可以应用于合成其他有价值的化学物质，包括乙醇。”“除了其许多工业用途之外，乙醇还被广泛用作燃料。”

以碳中和的方式生产燃料，建筑材料和其他产品的能力是减少我们对矿物燃料的依赖的重要一步。

“即使我们不再使用石油作为能源，我们仍然需要所有这些分子，”加西亚·德·阿奎尔（Garcíade Arquer）说。“如果我们能够使用废二氧化碳和可再生能源生产它们，那么我们就可以在经济脱碳方面产生重大影响。”

有关此研究的更多信息，请阅读Catalyst在去除CO2的同时产生有用的碳氢化合物。

参考：F. PelayoGarcíade Arquer，Cao-Thang Dinh，Adnan Ozden，Joshua Wicks，Christopher McCallum，Ahmad R.Kirmani，Dae-Hyun Nam，Christine Gabardo，Ali撰−写的“以大于1 A cm2的活性将CO2电解成多碳产物” Seifitokaldani，王学，李玉光，李凤旺，乔纳森·爱德华兹，李·里希特，史蒂芬·J·索普，戴维·辛顿和爱德华·萨金特，2020年2月7日，科学.DOI：
10.1126 / science.aay4217