工程师让将二氧化碳转化为有用产品变得更加实用
随着世界努力减少温室气体排放，研究人员正在寻找实用、经济的方法来捕获二氧化碳并将其转化为有用的产品，如运输燃料、化学原料甚至建筑材料。但到目前为止，这些尝试都难以实现经济可行性。麻省理工学院工程师的最新研究可能会迅速改善目前正在开发的各种电化学系统，以将二氧化碳转化为有价值的商品。该团队为这些系统中使用的电极开发了一种新设计，从而提高了转化过程的效率。
该研究结果发表在《自然通讯》杂志上，由麻省理工学院博士生 Simon Rufer、机械工程学教授 Kripa Varanasi 和其他三人共同撰写。
“二氧化碳问题是我们这个时代的一大挑战，我们正在利用各种手段来解决和应对这一问题，”瓦拉纳西说。他说，找到去除二氧化碳的切实可行的方法至关重要，无论是从发电厂排放源，还是直接从空气或海洋中去除。但是，一旦二氧化碳被去除，它就必须去某个地方。
瓦拉纳西说，已经开发出各种各样的系统来将捕获的气体转化为有用的化学产品。“这并不是说我们不能做到——我们可以做到。但问题是我们如何才能提高效率？我们如何才能使它具有成本效益？”
在这项新研究中，研究小组重点研究了二氧化碳向乙烯的电化学转化，乙烯是一种用途广泛的化学物质，可以制成各种塑料和燃料，目前由石油制成。但研究人员表示，他们开发的方法也可以用于生产其他高价值化学产品，包括甲烷、甲醇、一氧化碳等。
目前，乙烯的售价约为每吨 1,000 美元，因此我们的目标是能够达到或超过这一价格。将二氧化碳转化为乙烯的电化学过程涉及水基溶液和催化剂材料，它们与电流在称为气体扩散电极的装置中接触。
气体扩散电极材料有两个相互竞争的特性会影响其性能：它们必须是良好的电导体，这样驱动该过程的电流才不会通过电阻加热而被浪费，但它们还必须是“疏水性”的，或者说防水的，这样水基电解质溶液就不会泄漏并干扰电极表面发生的反应。
不幸的是，这是一种权衡。提高导电性会降低疏水性，反之亦然。瓦拉纳西和他的团队开始研究能否找到解决这一冲突的方法，经过数月的努力，他们终于做到了。
鲁费尔和瓦拉纳西想出的解决方案简单而优雅。他们使用了一种塑料材料，PTFE（本质上是特氟龙），众所周知，这种材料具有良好的疏水性。然而，PTFE 缺乏导电性，这意味着电子必须穿过非常薄的催化剂层，导致电压随距离而显著下降。为了克服这一限制，研究人员在非常薄的 PTFE 片中编织了一系列导电铜线。
瓦拉纳西说：“这项工作确实解决了这一挑战，因为我们现在可以同时获得导电性和疏水性。”
对潜在碳转化系统的研究往往是在非常小的实验室规模的样品上进行的，通常小于 1 英寸（2.5 厘米）见方。为了展示扩大规模的潜力，瓦拉纳西的团队制作了一张面积大 10 倍的薄片，并展示了其有效的性能。
为了达到这个目的，他们必须进行一些以前从未做过的基本测试，在相同条件下进行测试，但使用不同尺寸的电极来分析电导率和电极尺寸之间的关系。他们发现，电导率会随着尺寸的增大而急剧下降，这意味着需要更多的能量，因此成本也会更高。
鲁弗说：“这正是我们所期望的，但之前没有人真正认真研究过这个问题。”此外，除了预期的乙烯之外，更大的尺寸还会产生更多不需要的化学副产品。
研究人员表示，现实世界的工业应用可能需要比实验室版本大 100 倍的电极，因此添加导电线对于使此类系统实用化至关重要。他们还开发了一个模型，用于捕捉由于欧姆损耗导致的电极上电压和产品分布的空间变化。
该模型以及他们收集的实验数据使他们能够计算出导电线的最佳间距，以抵消电导率的下降。
实际上，通过将导线编织到材料中，材料被分成由导线间距决定的较小部分。“我们将其分成一堆小的子段，每个子段实际上都是一个较小的电极，”鲁弗说。“而且正如我们所见，小电极可以很好地工作。”
由于铜线的导电性比聚四氟乙烯材料高得多，它充当了电子通过的高速公路，连接了电子被限制在基板上并面临更大阻力的区域。
为了证明他们的系统是可靠的，研究人员连续运行了一个测试电极 75 小时，性能几乎没有变化。Rufer 说，总的来说，他们的系统“是第一个超越实验室规模的 PTFE 基电极，尺寸达到 5 厘米或更小。这是首次在不牺牲效率的情况下发展到更大规模的研究。”
他补充说，用于结合金属线的编织工艺可以轻松集成到现有的制造工艺中，甚至可以集成到大规模的卷对卷工艺中。
“我们的方法非常有效，因为它与实际使用的催化剂无关，”鲁弗说。“你可以将这种微米级铜线缝入任何你想要的气体扩散电极中，与催化剂的形态或化学性质无关。因此，这种方法可用于扩展任何人的电极。”
“考虑到我们每年需要处理数十亿吨二氧化碳来应对二氧化碳挑战，我们确实需要考虑可扩展的解决方案，”瓦拉纳西说。“从这种思维方式开始，我们能够识别关键瓶颈并开发出创新方法，从而对解决问题产生有意义的影响。我们的分层导电电极就是这种思维方式的产物。”
研究团队包括麻省理工学院研究生 Michael Nitzsche 和 Sanjay Garimella，以及 Jack Lake 博士。
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