新设备捕获二氧化碳并将其转化为有用产品

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为了减少二氧化碳排放对环境的影响，中佛罗里达大学的一名研究人员开发了一种新技术，可以捕获二氧化碳并输出有用的燃料和化学物质。
佛罗里达大学纳米科学技术中心副教授杨洋发明了一种创新装置，利用由氧化锡膜和氟层组成的微表面来捕获二氧化碳。该装置随后通过鼓泡电极提取气态二氧化碳，并有选择地将气体转化为一氧化碳和甲酸，而这两种物质是制造化学品的重要原料。
《美国化学学会杂志》最近的一项研究详细介绍了这项技术，该技术旨在解决生产替代能源的需求的同时，可持续地减少人类的碳足迹。
“我们希望创造一种更好的技术，让我们的世界变得更美好、更清洁，”杨说，他也是 UCF 可再生能源和化学转化 (REACT) 集群的成员。“过多的二氧化碳会对地球产生温室效应，并使地球迅速升温。这就是我们想要开发这种新材料来获取二氧化碳并将其转化为我们可以使用的化学品的动机。”
这种二氧化碳捕获技术可以应用于发电厂、工业设施或化工厂，从排放物中捕获二氧化碳并将其转化为有用的产品。
设计源于自然
杨说，该设备的设计灵感以及减轻我们对环境的影响直接来自于大自然本身。
“我们作为科学家总是向大自然学习，”他说。“我们想看看动物和树木是如何运作的。为了完成这项工作，我们从莲花中学习。我们知道莲花的表面非常疏水，这意味着当你把水滴在莲花表面时，水会很快从莲花表面流走。我们还知道绿色植物吸收二氧化碳，并通过光合作用将其转化为氧气。”
莲花帮助杨构思出模仿莲花表面的二氧化碳捕获技术，其中滴落在设备制造的疏水表面上的水将与二氧化碳转化反应分离。
杨说，必须仔细管理材料表面的水量，因为水可能会淹没设备或破坏二氧化碳的转化。
一旦捕获，二氧化碳气体就会通过电极，并通过比自然发生的光合作用更可定制的过程进行转化。
电催化二氧化碳还原反应根据催化剂上的具体反应途径将二氧化碳气体转化为含碳化学物质，例如甲醇、甲烷、乙烯、乙醇、醋酸盐和丙醇。
“我们希望创造一种更好的材料，能够快速从空气中吸收二氧化碳分子，并将其转化为化学物质，”杨说。“我们只是降低空气中二氧化碳的浓度，并将其转化为液态和气态，这样我们就可以直接将这些转化后的化学物质和领域用于其他应用。”
他说，研究中最具挑战性的部分之一是当暴露液体电解质中的气态二氧化碳成分时减少在催化材料表面扩散的水量。
“如果材料周围的水太多，可能会产生氢气，而不是将二氧化碳转化为化学物质，”杨说。“这会降低整个过程的能源效率。我们使用的材料可以排斥表面的水，这样我们就可以避免氢气的形成，并且可以大大提高二氧化碳的还原效率。这意味着我们最终可以将几乎所有的电力用于我们的反应。”
更多信息： Wei Zhang 等人，《三相界面纳米多孔电催化剂上的动态鼓泡平衡主动 CO2 捕获与还原》，《美国化学会志》（2024 年）。DOI ：10.1021/jacs.4c02786
期刊信息： 美国化学会志