隨著氣候變化持續加劇,碳排放量創歷史新高,尋找有效的二氧化碳 (CO2) 回收方法的緊迫性比以往任何時候都更加突出。隨著全球碳中和運動的勢頭強勁,將二氧化碳轉化為有用燃料和化學品的創新方法正迅速引起人們的關注。其中,將二氧化碳轉化為醇基產品尤其具有前景,因為這些化合物具有高能量和經濟價值。盡管潛力巨大,但長期以來,該工藝效率低下,且難以大規模工業化生產一直受到阻礙。![]() 韓國光州科學技術研究院 (GIST) 的研究人員開發出一種新穎的電化學方法,通過獨特的催化途徑將二氧化碳轉化為烯丙醇,創下了二氧化碳轉化效率的全球新高。圖片來源:Jaeyoung Lee 教授 近日,韓國光州科學技術研究院(GIST)的科學家團隊在Jaeyoung Lee教授、Minjun Choi博士和Sooan Bae博士的帶領下,在該領域取得了重大突破。 他們提出的二氧化碳轉化為酒精的新方法將卓越的效率與大規模生產能力相結合,創造了全球性能紀錄。他們的研究發表在《自然-催化》雜志上,揭示了一種將二氧化碳轉化為“烯丙醇”的電化學技術。烯丙醇是一種具有多種工業應用價值的高價值化合物。 二氧化碳電化學還原技術是碳中和時代的關鍵技術,可以將二氧化碳(全球變暖的罪魁禍首)轉化為有用的物質。然而,選擇性地生產含有三個或三個以上碳原子的高附加值化合物(例如烯丙醇)面臨著諸多挑戰。首先,目前的方法法拉第效率非常低——實際使用的電能中只有不到15%用于生產所需的化合物,其余的都被浪費了。其次,反應路徑復雜,中間體穩定性低,也加劇了該工藝的低效率。 李教授解釋說: “烯丙醇 (C3H6O )是一種非常有用的物質,可用于各種化學反應。但由于碳-碳 (C-C) 鍵的形成過程復雜,且反應中間體的穩定性較低,因此很難以液態生產這些高附加值的化合物。” 研究人員開發的技術令人矚目。團隊將磷化銅(CuP?)與鎳鐵(NiFe)氧化催化劑整合到膜電極組件中,從而制備出一種富磷銅催化劑。在電化學裝置中使用該催化劑,法拉第效率達到66.9%,比目前最佳技術( 此外,該技術還記錄了735.4 mA cm−2的部分電流密度和1643 μmol cm−2h−1的生產速率,同時電極單位面積可施加1100 mA cm−2的電流。這些指標代表了迄今為止已報道的最高性能,也凸顯了其大規模應用的潛力。 由于烯丙醇是塑料、粘合劑、消毒劑和香料等各個行業的重要原材料,這項技術可能會改變其大規模生產。 此外,該方法的機理也獨具特色。傳統方法通過一氧化碳途徑進行,而該方法揭示了一條新的反應路徑,即在甲酸酯轉化為甲醛的中間體基團過程中形成了碳-碳(C-C)鍵。這種機理直接生成液體,更易于儲存和運輸,大大提升了產品的商業價值。 該技術標志著碳中和時代的突破,有望通過選擇性地將僅含有一個碳原子的CO2轉化為含有三個或三個以上碳原子的多碳高附加值化合物(C3 +)烯丙醇,為經濟型電化學碳捕獲與利用技術開辟新途徑。 李教授強調: “這項二氧化碳轉化技術有望為面臨日益增長的排放壓力的煤炭、石化和鋼鐵行業開辟新的商業方向。我們認為,這是通過可擴展的科學技術邁向碳中和時代的關鍵一步。” 通過將研究重點從傳統的C1和C2目標轉移到其他目標,該研究將二氧化碳增值的范圍拓展到更復雜、價值更高的分子。Choi博士澄清說,雖然該方法前景廣闊,但進一步集成到連續流和零間隙膜電極組裝系統中,或許能夠實現利用二氧化碳進行液體燃料和化學前體的可擴展、可持續生產——這將顯著減少對化石燃料的依賴,并為更綠色的未來鋪平道路。 編譯自/scitechdaily |