新型催化剂可以通过将其转化为乙酸来提高捕获碳的价值

一个国际合作团队 - 包括多伦多大学和华中科技大学的研究人员 - 创造了一种催化剂，可以有效地将捕获的碳中的一氧化碳转化为乙酸。

这项创新可以通过开辟制造这种关键工业化学品的新途径来刺激对碳捕获和储存的新投资，这种化学品的全球市场规模每年超过10亿美元。

“从技术角度来看，碳捕获今天是可行的，但从经济角度来看还不是，”Ted Sargent教授说，他最近加入了西北大学化学系和电气与计算机工程系，但在多伦多大学应用科学与工程学院设有一个实验室。

“通过使用电化学将捕获的碳转化为成熟市场的产品，我们为改善这些经济性提供了新的途径，并为我们仍然需要的工业化学品提供了更可持续的来源。

萨金特和他的合作者在使用电解槽(电力驱动所需化学反应的装置)将捕获的碳转化为关键的工业化学品(包括乙烯和丙烯)方面有着良好的记录。

在《自然》杂志上发表的一篇论文中，他们将乙酸添加到列表中。

虽然醋酸可能是家用醋中的关键成分，但最近从爱德华·S·罗杰斯电气和计算机工程系毕业的博士生、该论文的四位共同主要作者之一乔希·威克斯(Josh Wicks)表示，这种用途只占其全球市场的一小部分。

“醋中的乙酸通常需要通过发酵来自生物来源，因为人类消耗它，”威克斯说。

“但大约90%的醋酸市场被用作制造油漆，涂料，粘合剂和其他产品的原料。这种规模的生产主要来自甲醇，而甲醇又来自化石燃料。

Wicks和团队查阅了生命周期评估数据库，表明每公斤甲醇产生的乙酸，该过程释放1.6千克二氧化碳。

他们的替代方法通过两步过程进行：捕获的气态 CO2 首先通过电解槽，在那里它与水和电子反应形成一氧化碳 (CO)。然后气态CO通过第二个电解槽，在那里另一个催化剂将其转化为含有两个或多个碳原子的各种分子。

“我们面临的一个主要挑战是选择性，”威克斯说。“用于第二步的大多数催化剂都促进了多个同时反应，这导致了难以分离和纯化的不同双碳产物的混合物。我们在这里试图做的是创造有利于一种产品胜过所有其他产品的条件。

该团队进行了详细的原子建模，以预测催化剂成分的变化将如何影响形成的产物。他们还研究了其他因素的影响，例如反应发生的压力。

他们的分析表明，与以前的催化剂相比，使用低得多的铜比例(约10%)将有利于乙酸的生产。它还表明，将压力提高到<>个大气压将是有益的。

“与工业热化学过程相比，使用室温和一个大气压是电化学的主要优势。然而，我们发现，通过结合电化学稍微增加压力——与一些工业过程相比，10个大气压并不是一个很大的进步，工业过程可以在60-100个大气压范围内——我们可以实现破纪录的选择性。

“例如，针对乙烯的催化剂通常最高约为70%至80%，因此我们明显高于此。

新的催化剂似乎也相对稳定。虽然一些催化剂的法拉第效率会随着时间的推移而下降，但研究小组表明，即使在运行85小时后，它仍保持在820%的高水平。

Wicks希望导致团队成功的因素 - 包括新的目标产品，略微增加的反应压力和催化剂中铜的比例降低 - 激励其他团队跳出框框思考。

“其中一些方法违背了这一领域的传统智慧，但我们表明它们可以很好地工作，”他说。

“在某些时候，我们将不得不使化学工业的所有元素脱碳，因此我们对有用产品的不同途径越多 - 无论是乙醇，丙烯还是乙酸 - 越好。