新型耐污染物催化剂可帮助直接从烟囱捕获碳

Josiah01 · 发表于 2024-7-7 16:21:37

　　多伦多大学工程学院的研究人员设计的一种新催化剂可以有效地将捕获的碳转化为有价值的产品——即使存在会降低当前版本性能的污染物。
　　这一发现是朝着更具经济效益的碳捕获和储存技术迈出的重要一步，该技术可以添加到现有的工业流程中。
　　《自然能源》杂志发表的一篇描述新催化剂的论文的资深作者戴维辛顿教授说：“今天，我们拥有比以往更多更好的低碳发电选择。”
　　“但经济中的其他部门将更难脱碳：例如钢铁和水泥制造业。为了帮助这些行业，我们需要发明经济有效的方法来捕获和升级其废物流中的碳。”
　　Sinton 和他的团队使用电解器将二氧化碳和电能转化为乙烯和乙醇等产品。这些碳基分子可以作为燃料出售，也可以用作制造塑料等日常用品的化学原料。
　　在电解器内部，当三种元素（二氧化碳气体、电子和水基液体电解质）聚集在固体催化剂表面时，就会发生转化反应。
　　催化剂通常由铜制成，但也可能含有其他金属或有机化合物，可以进一步改善系统。其功能是加速反应并尽量减少不良副产物（如氢气）的产生，因为这些副产物会降低整个过程的效率。
　　虽然全球许多团队都生产出了高性能催化剂，但几乎所有催化剂的设计都以纯二氧化碳为原料。但如果所讨论的碳来自烟囱，原料很可能不是纯净的。
　　“催化剂设计师通常不喜欢处理杂质，这是有原因的，”机械工程博士生、新论文五位共同主要作者之一 Panos Papangelakis 说道。
　　“硫氧化物，例如二氧化硫，会与催化剂表面结合，从而毒害催化剂。这样一来，二氧化碳发生反应的位点就会减少，而且还会形成不想要的化学物质。”
　　“这个过程发生得非常快：虽然一些催化剂在纯原料下可以持续数百小时，但如果引入这些杂质，几分钟内它们的效率就会下降到 5%。”
　　虽然目前已有成熟的方法可以在将富含二氧化碳的废气送入电解器之前去除其中的杂质，但这些方法耗时耗能，而且会增加碳捕获和升级的成本。此外，对于二氧化硫来说，哪怕是一点点杂质都可能造成大问题。
　　“即使你将废气浓度降至每百万分之十以下，或原料的 0.001%，催化剂仍然会在两小时内中毒，”Papangelakis 说。
　　在论文中，研究小组描述了如何对典型的铜基催化剂进行两项关键改动，从而设计出一种能够抵抗二氧化硫的更具弹性的催化剂。
　　他们在催化剂的一面添加了一层薄薄的聚四氟乙烯，也就是特氟隆。这种不粘材料改变了催化剂表面的化学性质，阻止了导致二氧化硫中毒的反应。
　　另一侧，他们添加了一层 Nafion，这是一种常用于燃料电池的导电聚合物。这种复杂的多孔材料包含一些亲水性区域，这意味着它们会吸引水，而其他区域则是疏水性区域，这意味着它们会排斥水。这种结构使 SO 2难以到达催化剂表面。
　　随后，研究小组将二氧化碳和二氧化硫的混合物加入到这种催化剂中，二氧化硫的浓度约为 400 ppm，这是工业废水的典型浓度。即使在这些恶劣条件下，这种新催化剂也表现良好。
　　“在论文中，我们报告了法拉第效率（衡量有多少电子最终形成了所需产品）为 50%，并且我们能够维持这个效率 150 小时，”Papangelakis 说道。
　　“目前有些催化剂的启动效率可能更高，可能是 75% 或 80%。但是，如果将它们暴露在二氧化硫中，几分钟内或最多几个小时内，效率就会降至几乎为零。我们能够抵抗这种情况。”
　　Papangelakis 表示，由于其团队的方法不会影响催化剂本身的成分，因此应该具有广泛的适用性。换句话说，已经完善了高性能催化剂的团队应该能够使用类似的涂层来抵抗硫氧化物中毒。
　　虽然硫氧化物是典型废物流中最具挑战性的杂质，但它们并不是唯一的杂质，研究小组下一步要研究的是一整套化学污染物。
　　“还有很多其他杂质需要考虑，例如氮氧化物、氧气等，”帕潘杰拉基斯说。
　　“但事实上，这种方法对硫氧化物非常有效，这很有前景。在这项研究之前，人们理所当然地认为，在升级二氧化碳之前必须先去除杂质。我们已经证明，可能存在一种不同的方法来处理它们，这开辟了许多新的可能性。”

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