提高电化学碳捕获和转化系统的效率

染料用于揭示水中二氧化碳的浓度水平。左侧是吸引气体的材料，染料显示二氧化碳紧贴催化剂而保持浓缩状态。

新的设计可以加快电化学系统中的反应速度，从而将碳从电厂排放物中排出。

从电厂排放中捕获和转化二氧化碳的系统可能是遏制气候变化的重要工具，但大多数系统效率低下且价格昂贵。现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，该方法可以显着提高使用催化表面来提高碳螯合电化学反应速率的系统的性能。

这种催化系统是碳捕获的一种有吸引力的选择，因为它们可以生产有用的，有价值的产品，例如运输燃料或化学原料。此输出可帮助补贴该过程，从而抵消减少温室气体排放的成本。

在这些系统中，典型地，包含二氧化碳的气流穿过水以输送用于电化学反应的二氧化碳。通过水的运动缓慢，这减慢了二氧化碳的转化率。新的设计可确保二氧化碳流在催化剂表面附近保持浓缩在水中。研究人员表明，这种集中度几乎可以使系统的性能提高一倍。

该结果今天在麻省理工学院博士后Sami Khan SM '15 PhD '19的论文《细胞报告物理科学》中进行了描述，他现在是西蒙弗雷泽大学的助理教授，以及麻省理工学院机械工程教授Kripa Varanasi和Yang Shao -霍恩（Horn）和应届毕业生Jonathan Hwang '19博士。

二氧化碳封存是我们时代的挑战，瓦拉纳西说。有多种方法，包括地质隔离，海洋存储，矿化和化学转化。当要用这种温室气体生产有用的，可销售的产品时，电化学转化特别有前途，但仍需要改进以使其在经济上可行。他说：“我们的工作目标是了解此过程中的最大瓶颈，并改善或缓解该瓶颈。”

研究人员发现，瓶颈涉及将二氧化碳输送到催化表面，从而促进所需的化学转化。在这些电化学系统中，将含二氧化碳的气体流在压力下或通过使其鼓泡通过装有催化剂材料如铜的电极的容器而与水混合。然后施加电压以促进化学反应，产生可转化为燃料或其他产品的碳化合物。

这种系统有两个挑战：反应可以进行得如此之快，以至于消耗完到达催化剂的二氧化碳的供应要比其补充快得多。如果发生这种情况，竞争性反应（将水分解为氢和氧）会接管并消耗掉投入该反应的大部分能量。

先前通过使催化剂表面纹理化以增加反应表面积来优化这些反应的努力未能达到他们的预期，因为向表面供应的二氧化碳无法跟上增加的反应速率，从而转向制氢随着时间的推移。

研究人员通过使用紧靠催化剂材料放置的吸气表面解决了这些问题。这种材料是一种特殊质地的“亲油性”超疏水性材料，可以排斥水，但可以使称为a的光滑气体层沿其表面保持紧密。它使进入的二氧化碳流一直紧贴催化剂，因此可以使所需的二氧化碳转化反应最大化。

左侧的气泡撞击特殊纹理的吸气表面，并在整个表面上散开，而右侧的气泡撞击未处理的表面，然后反弹。在新工作中使用了经过处理的表面，以使二氧化碳保持接近催化剂的位置。

通过使用基于染料的pH指示剂，研究人员能够可视化测试单元中的二氧化碳浓度梯度，并显示出从the胶中散发出来的二氧化碳浓度增加。

在这里，使用染料来揭示水中二氧化碳的浓度水平。绿色显示二氧化碳浓度更高的区域，蓝色显示二氧化碳耗尽的区域。左侧的绿色区域表示，由于有吸气材料，二氧化碳紧贴着催化剂而保持浓缩状态。

在使用此设置的一系列实验室实验中，碳转化反应的速度几乎翻了一番。随着时间的流逝，它也持续存在，而在先前的实验中，反应迅速消失了。该系统产生了高比率的乙烯，丙醇和乙醇，这是一种潜在的汽车燃料。同时，竞争性的氢气释放被大大限制了。尽管这项新工作可以对系统进行微调以生产所需的产品混合物，但在某些应用中，优化氢作为燃料的生产可能是理想的结果，也可以做到。

Khan说：“重要的指标是选择性。”是指生成有价值的化合物的能力，这些化合物将由给定的材料，质地和电压的混合物产生，并根据所需的输出调整构型。

通过将二氧化碳浓缩在催化剂表面附近，新系统还产生了两种可能有用的新碳化合物，丙酮和乙酸盐，以前在任何此类电化学系统中都没有以可观的速率检测到。

Varanasi建议，在这项最初的实验室工作中，将一条疏水性，吸气材料的条带放置在一个铜电极的旁边，但是在将来的工作中，可能会使用一组密集的交错板对来制造实用的设备。

与以前使用纳米结构催化剂进行电化学碳还原的工作相比，瓦拉纳西说：“我们的性能远胜于所有催化剂，因为即使是相同的催化剂，这也是我们交付二氧化碳的方式，改变了我们的局面。”

与这项研究没有关系的伦敦帝国理工学院材料工程学教授伊凡·斯蒂芬斯（Ifan Stephens）说：“这是将二氧化碳送入电解槽的一种完全创新的方式。”“作者将石油和天然气工业中使用的流体力学概念转化为电解燃料生产。我认为来自不同领域的这种交叉施肥非常令人兴奋。”

斯蒂芬斯补充说：“减少二氧化碳排放具有巨大潜力，可以利用电力，水和二氧化碳来制造平台化学品，例如乙烯。乙烯目前是通过将化石燃料中的长链碳氢化合物裂解而形成的。它的生产向大气排放了大量的二氧化碳。这种方法可能会导致更有效的二氧化碳减排，最终可能使我们的社会摆脱目前对化石燃料的依赖。”

参考：Sami Khan，Jonathan Hwang，Yang-Shao Horn和Kripa K.Varanasi撰写的“靠近催化剂的塑料增强了二氧化碳电还原的活性和选择性”，2021年1月25日，Cell Reports Physical Science.DOI：
10.1016 / j.xcrp.2020.100318

这项研究得到了意大利能源公司Eni S.p.A的MIT能源倡议的支持，以及加拿大的NSERC PGS-D研究生奖学金。