新技术可在几分钟内将二氧化碳转化为燃料
如果我们能将有害污染转化为宝贵的能源，那会怎样？随着世界迈向碳中和，开发减少排放的新技术至关重要。科学家们利用喷涂催化剂和直接结晶技术，创造了一种快速、经济的方法，将二氧化碳转化为合成燃料前体。
日本东北大学、北海道大学和AZUL能源公司的研究人员研发出一种高效方法，将二氧化碳（CO2）转化为一氧化碳（CO）。一氧化碳是合成燃料的重要组成部分。该工艺将转化时间从24小时缩短至仅需15分钟，树立了新的标杆。
“二氧化碳转化为一氧化碳是目前应对气候变化的热门话题，但传统技术存在一些我们想要解决的重大缺陷，”东北大学WPI-AIMR的刘腾翼表示。“这些材料价格昂贵、不稳定、选择性有限，而且制备时间很长。在实际工业环境中使用它们并不可行。”
金属酞菁晶体改性气体扩散电极的制备方法，以及使用钴酞菁（CoPc）晶体时的特性和性能。图片来源：Hiroshi Yabu 等人。
为了满足工业需求，研究人员探索了不同类型的酞菁（Pc），包括无金属酞菁（H2Pc）、铁酞菁（FePc）、钴酞菁（CoPc）、镍酞菁（NiPc）和铜酞菁（CuPc）作为潜在催化剂。他们采用简单的喷涂技术将这些化合物应用于气体扩散电极，直接在电极表面形成结晶层。其中，钴酞菁（CoPc）是一种低成本的颜料和金属络合物，在将二氧化碳转化为一氧化碳方面表现出最高的效率。
CoPc晶体改性气体扩散电极的CO2-CO转化性能与先前报道结果的比较。图片来源：Hiroshi Yabu等人。
这种类似涂鸦的方法只需将催化剂喷涂在表面，即可将典型的处理时间缩短至仅15分钟。传统方法需要繁琐的工艺，包括混合导电碳和粘合剂、干燥以及超过24小时的热处理。此外，在150 mA/cm²的电流密度下，新系统能够保持144小时的稳定性能。
利用DigCat 数据库（迄今为止最大的实验电催化数据库），研究人员证实他们的催化剂超越了所有之前报道的基于 Pc 的催化剂。
“这不仅是迄今为止生产二氧化碳的最佳PC基催化剂，而且其反应速率和稳定性也成功超越了工业标准阈值，”刘教授说道，“这是有史以来第一个达到这一标准的催化剂。”
为了探究其优异性能背后的原因，研究团队利用NanoTerasu设施的同步辐射进行了结构分析，并进行了理论计算。结果表明，结晶过程形成了紧密堆积的分子，从而促进了电子向表面的有效转移。这些发现强调了直接结晶是制备用于CO₂电还原的金属络合物催化剂电极的有效策略。
CoPc晶体改性气体扩散电极的耐久性评估。图片来源：Hiroshi Yabu等人。
本研究开发的气体扩散电极制造方法与二氧化碳电解技术相结合，为使用低成本的颜料基催化剂高效地从二氧化碳合成一氧化碳（CO，一种重要的合成燃料中间体）提供了一种有希望的途径。
该方法通过提高能源效率并降低二氧化碳利用成本，解决了合成燃料生产中的一个关键瓶颈。因此，它作为下一代二氧化碳捕获与利用 (CCU) 技术具有巨大潜力。
编译自/ScitechDaily
