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从石化行业中解脱出来,新电解技术可使二氧化

时间:2019-08-24 07:11来源:科学研究
去年,该公司称已经成功制作出这种膜。在ACS会议上,二氧化物材料公司化学家RichardNi报告称,用它生产CO的效率比最好的下一代膜几乎提高了1倍。Ni还在报告中表示,利用最近的升级

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去年,该公司称已经成功制作出这种膜。在ACS会议上,二氧化物材料公司化学家Richard Ni报告称,用它生产CO的效率比最好的下一代膜几乎提高了1倍。Ni还在报告中表示,利用最近的升级,它们的电池可以将CO2以两倍于其他同等大小的CO2电解器的速率转化为CO。如果按比例扩大规模,将有助于处理大量的CO2。Ni还补充说,该公司的装置经过6个月持续运行之后仍保持稳定且未退化。

想想石油化工行业的做法:它需要重的长链碳分子,并使用高热量和高压将它们分解成基本的化学构件。然后,这些基本的化学构件被重新组合成塑料、肥料、纤维等。

本报讯 科学家一直梦想着能够模仿光合作用,利用阳光中的能量将二氧化碳和水结合在一起成为碳氢化合物燃料。如今,一种廉价的新型化学催化剂,利用来自太阳能电池的电能将二氧化碳分解成富含能量的一氧化碳和氧气,从而以创纪录的效率实现了部分过程。

通过电化学还原过程,研究人员可以将二氧化碳转化为乙烯等化学物质。乙烯是制造塑料的重要原材料,具有很高的商业价值。通常情况下,二氧化碳气流和液体电解质在电解池中作用后,阴极会产生乙烯等分子,阳极则会产生氧气。伊利诺伊大学化学与生物分子工程学教授、系主任、论文作者Paul Kenis说:“传统二氧化碳转化技术中,约有90%的能量被电解槽阳极的产氧过程消耗掉了。氧气是不具备巨大商业价值的气体,因此这90%的能量基本上属于白白浪费掉了。”Kenis在另一份报告中指出,寻找一种能够降低驱动阳极反应能量的原料,可能是从根本上降低二氧化碳转化技术能耗的策略。他在报告中指出,甘油作为甘蔗生物燃料生产过程中产生的有机副产物,氧化所需能量较少,可以用于能耗极高的产氧步骤。

类似电子路径的第一步是分解顽固、稳定的CO2分子,将其分解为氧气和一氧化碳,CO是一种略含能量的分子,可作为形成甲醇等碳氢燃料的基础。这一过程从两个覆盖着催化剂的电极开始,电极被浸泡在一个盛了水且溶解了CO2的烧杯中。这些电极之间的电子流会分别进行反应,将水和CO2分离开,最终产生CO和更多的水。

归根结底是成本。你需要证明,通过电合成制造化学构件的成本与用传统方法生产它的成本是一样的。

Graetzel强调,锡似乎能够钝化帮助催化剂分离水的热点。其结果是,几乎所有的电流都用来合成更需要的一氧化碳。有了新的见解,Graetzel的团队尝试着加快催化剂的研制工作。

科界原创

在ACS会议上,伊利诺伊大学厄巴纳分校化学家Paul Kenis提出了另一个长期的愿景。尽管将CO2转变为CO是最简单的选择方法,Kenis和其他人仍在设法用更多能量或更高的价格将CO2一下子转化为甲烷、甲酸、甲醇或其他复杂的碳氢化合物。但这些反应更加复杂,需要的不仅仅是电子源,还有质子源。为了进行这些反应,研究人员通常会利用正极将水分子分解为质子、电子和氧气,然后将质子和电子灌入阴极,它们在那里会与CO2发生反应生成碳氢化合物。水解反应通常需要较多的能量附加。

设计能够提高电化学转化效率的催化剂是比较困难的,这也是我在论文中所做的。对于乙烯,我所见过的最好的效率是35%,但是对于其他的建筑材料,比如一氧化碳,我们接近50%。

美国科罗拉多州国家可再生能源实验室可再生能源专家John Turner表示,新的工作是“一个非常好的结果”。

化学与生物分子工程学教授Paul Kenis与研究生Shawn Lu等探讨了一种二氧化碳废物利用新技术的可行性。

2011年,由佛罗里达州波卡拉顿二氧化物材料公司首席执行官、化学家Richard Masel带领的团队用氧化银和氧化铱催化剂以及一种电解液验证了一套提高从CO2转化为CO反应的设备。该电解液包含了一种叫作咪唑鎓盐的化合物,它可以在被银包裹的电极周围形成一层保护层。这会阻止水裂解反应,并促使催化剂将几乎所有电子转化为CO2。它还会以仅0.17伏的附加电压形成CO。但离子液体价格比较昂贵,而且具有腐蚀性,因此二氧化物材料公司开始制作一种耐用且廉价的塑料膜,当在其上覆盖一层银电极后,它可以发挥同样的功能。

改变这一体系需要大规模的全球变革。在某些领域,我们有替代品——例如,电动汽车可以取代内燃机。可再生电合成技术也可以为石油化工行业做类似的事情。

尽管如此,可再生能源的爆炸性发电如今偶尔会产生比电网所能处理的更多的电力。所以科学家们正在寻找一种可行的方法来储存多余的电力。这可能推动化学燃料储存能量的进一步发展,Graetzel说。

工业和能源行业产生了大量的二氧化碳,虽然它看上去是“废物”,但实际上可以转化为有价值的商品。然而,涉及二氧化碳转化过程的是能源密集型的高成本技术,其大规模推广因而受到限制。phys.org网站4月22日报道,美国伊利诺伊大学的研究人员评估了一种新电解技术的技术与经济可行性,该技术通过使用一种廉价的生物燃料副产品,可将二氧化碳转化过程的能耗降低53%。相关研究发表于《自然?能源》杂志中。

为了产生大规模的影响,哈佛大学化学家Haotian Wang说,该公司可能需要找到比银和氧化铱价格更低的电极催化物。Ni表示,该公司正在寻求价格更低的替代物以替换稀有贵金属氧化铱。

我刚刚在加拿大国家研究委员会担任了清洁能源材料挑战项目的项目主任。我正在建立一个2100万美元的合作研究项目,所以这是我经常思考的事情!

帕萨迪纳加州理工学院化学家Nate Lewis认为,这一新结果与最近的其他改进相吻合,即使用不同的催化剂将二氧化碳转化为燃料。“总的来看,它们表明我们正在取得进展”Lewis说。但他同时警告称,目前将二氧化碳转化为燃料的努力仍处于基础研究领域,因为它们尚无法以接近精炼原油的价格生产燃料。

论文作者Sumit Verma认为,许多研究人员专注于提高催化剂对二氧化碳还原反应的选择性和催化活性来改善二氧化碳转化过程,这方面的工作仍然具有价值。但他表示:“从氧气演变角度来看,改进阳极反应似乎更是一个双赢局面——不仅降低了工艺的能耗,还善生了第二种有价值的产品流。”

新豪天地登录网址 ,同时,二氧化物材料公司已经扩大了其电极的大小,将其从比一枚美国邮票还小的方格变得比成年人手掌更大,从而允许更大的CO通量。此外,该团队已经与产业巨头3M公司合作,生产一卷卷的咪唑膜。该公司还正在与工业化学品生产商如林德和西门子合作,探索可以在哪里获得纯CO2废弃物以及多余的可再生能源。“那将非常关键。”Shi说,“我们可以在用电需求较低的时候储存能量。”

化石燃料是全球石化工业的支柱,为全球不断增长的人口提供燃料、塑料、服装、化肥等。近日发表在《科学》杂志上的一篇新研究论文为替代技术——可再生电合成——如何引领一个更可持续的化学工业指明了方向,并最终使我们能够在地下留下更多的石油和天然气。

但长期从事分离二氧化碳催化剂研究的洛桑市瑞士联邦理工学院化学家Michael Graetzel指出,问题是,这些催化剂分离的水要比二氧化碳更多,从而最终形成了氢分子,这是一种不含有什么能量的化合物。

为了测试新电解技术是否具有应用潜力,研究人员研究了其在二氧化碳转化过程的成本和能耗。Kenis说:“为使模拟更加真实,我们设定的模型使用已有电网作为电力来源。能够利用已有基础设施来推动二氧化碳转化,对未来的电网建设、二氧化碳减排将是一个巨大福音。”Kenis等分析了极端情况下的二氧化碳排放和能耗情况,认为从减排和经济角度来看,改善后的阳极反应对增强二氧化碳转化技术的应用性极具效果。他说:“基于甘油的电解反应展现出巨大的应用前景,我们还需要继续探索其他有机废料的可行性——即使生物燃料产量继续提高,仍然无法完全满足新电解技术的需求。好消息是,由于二氧化碳转化涉及的化学成分是灵活的,很多有机废料都有望用于这项工作。”

如果能够实施,它们将有助于解决另一个紧迫的问题:因为这两种方式都需要来自电源的稳定电子流,它们可以吸收目前电网中不能储存的所有“丢失”的太阳能和风能。

在世界上有些地方,太阳能的可再生能源每千瓦时的成本仅为2到3美分。即使在像魁北克这样水力资源丰富的地方,每年也会有电价为负的时候,因为没有办法储存电能。因此,从经济潜力的角度来看,我认为我们在一些地区已经接近成功。

Graetzel的研究小组在本周出版的《自然—能源》杂志上报告称,这个策略奏效了——它将90%的二氧化碳分子转化成一氧化碳,而氢和其他副产品则构成了其余部分。研究人员还把他们的装置安装在太阳能电池上,结果显示在被捕获的阳光中,有创纪录的13.4%的能量被转化为一氧化碳的化学键。

编译:雷鑫宇

《中国科学报》 (2017-09-12 第3版 国际)

你能举个再生电合成的例子吗?

当然目前的转化率还不够高,不足以同像汽油这样的化石燃料展开竞争。但有朝一日,这项技术有望带来基本上利用阳光、水和二氧化碳(也是全球变暖的罪魁祸首)无限量合成液体燃料的方法。

二氧化碳是社会的最终废弃物,每年有数十亿吨被排到大气中。但将其转化为有价值的燃料和化学物质通常需要过多能量,这使其在经济上变得不合理。在近日举行的美国化学会会议上,研究人员报告称发现了将CO2转变为富含能量的副产品的两种有效方式。

另一个好的目标是一氧化碳,今天主要是由燃烧煤炭产生的。我们知道如何通过电合成来制造它,所以如果我们能提高效率,那将是一种速溶溶液。

研究人员指出,当二氧化碳被分解成氧气和一氧化碳时,转化就开始了,后者可以与氢结合从而制造各种碳氢燃料。例如,添加4个氢原子可以产生甲醇,这是一种能够驱动汽车的液体燃料。

在ACS会议上,Kenis报告称,其团队已经创建了一种CO2分解设施,他们可以在正极用一种叫作丙三醇(生物质发电厂形成的成吨的废弃物)的液体置换水。通过使用丙三醇,Kenis说,其团队可以将系统中的附加能耗减少近2/3,同时生产出可广泛用于化学合成品的甲酸。Kenis坦言,这套新装置可能会产生目前他们尚不知晓的副产物,它距离转变为一项商业技术仍有很长的路要走。加州理工学院化学家William Goddard表示,他对这个思路印象深刻。“把现在普遍认为的垃圾加以转化利用的技术具有真正的潜力。”他说。

一旦我们进行了最初的改造,化学构件就会与我们现有的基础设施相适应,产品的质量不会发生变化。如果你做得对,整个过程是碳中性的,甚至是负碳的。

研究人员指出,这比植物要好得多——它们储存的能量只有约1%的效率,而且它在最近将催化剂与微生物结合生成燃料的混合工艺中也是最棒的。

二氧化碳“变形记” 研究人员提出将垃圾变为燃料的两种新方法

我们离目标有多近?

一种新的催化剂使得阳光能够以13.4%的效率转化为化学能。图片来源:i-Stockr/iStockphoto

“这些是非常好的结果。”宾夕法尼亚州匹兹堡国家能源技术实验室化学家Fan Shi说,他认为这已经是足够成熟的商业产品。二氧化物材料公司并非唯一尝试商业化这一过程的公司,化学巨头巴斯夫已经宣布了利用同样的方法制作液体甲烷的计划。一家名为太阳火的德国公司在今年5月也宣布正在生产“蓝色原油”—— 一种利用高温过程从CO2和水转化而来的合成柴油。

电合成的优点是什么?

廉价催化剂实现“光合作用” 有望带来无限量合成碳氢燃料的方法

两种新电解技术有效利用电分解二氧化碳分子。图片来源:Charles D. Winters

菲尔·德·鲁纳(Phil De Luna)是该论文的第一作者。他在多伦多大学(University of Toronto Engineering)的研究涉及设计和测试电合成催化剂,去年11月,他被列入《福布斯》 30位30岁以下能源领域创新者名单。他和他的导师Ted Sargent教授与来自斯坦福大学和道达尔美国服务公司的一个国际研究团队合作完成了这篇论文。

为了实现这一目标,研究人员利用氧化铜纳米线重新制造了他们的电极,使其具有进行二氧化碳分解反应的一个高比表面,随后用一个原子厚的锡层覆盖在电极表面。

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我们目前的目标是现有石化供应链中可以很容易转化为电合成的部分。我上面提到的例子,就是利用电解生产氢气用于石油和天然气的升级。

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为了回收利用CO2,一些研究人员在模仿光合作用,利用日光将分子转变为碳水化合物。但这些太阳能燃料反应堆经常需要在1000℃的高温下运行。其他化学家则支持更加传统的方法,即进行类似的反应,但在接近室温下在需要电和特别催化剂的电化学电池中进行。

想象一下,如果不使用化石燃料,你可以使用空气中的二氧化碳,而不是在高温高压下进行反应,你可以在室温下用创新的催化剂和来自可再生能源的电力,如太阳能或水力发电来制造化学构件,这就是可再生电合成。

《中国科学报》 (2017-06-08 第2版 国际)

在理论上,它仅需要1.33伏的电量,低于一节五号电池的电压。但在实际上,研究人员必须将其提高1伏左右,从而让反应快速进行。额外的电量被称作附加电压,会降低电池的有效性。另一个问题是大多数催化剂会引导更多可获得的电子分解水,而不是将CO2转化为CO。

你认为未来研究的重点应该是什么?

在过去的20年中,研究人员已经发现了一系列催化剂,能够实现第一步,即当电流通过水而产生气泡时分离二氧化碳。一种得到最充分研究的铜与氧的廉价而丰富的混合物被称为氧化铜。

目前有一些有限的应用。例如,用于升级重油的大部分氢气来自天然气,但现在通过电解产生氢气只有约4%(电力将水分解成氢气和氧气)。在未来,我们可以为碳基构建做类似的事情。

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我们的社会对化石燃料上瘾——从手机里的塑料到衣服里的合成纤维,化石燃料无处不在。世界人口的增长和生活水平的提高,每年都在推高需求。

你能描述一下你想要解决的挑战吗?

什么是可再生电合成?

我们需要可回收的建筑材料,我们需要更高效的led照明,我们需要更好的太阳能电池和电池。但是,即使明天电网和交通网络的排放量降至零,这对石化行业也没有任何帮助,因为我们每天使用的许多产品都是由石化行业供应的。如果我们能从供应链的部分供电开始,这是建立替代系统的第一步。

当然,所有这些都是在实验室里完成的——要将其扩大到每天生产数千吨的工厂,难度要大得多。但我认为有一些应用程序显现了前景。

为了与传统方法竞争,电力每千瓦时的成本需要低于4美分,而电-化学转换效率需要达到60%或更高。

其优点是速度和吞吐量。植物很擅长将二氧化碳转化为物质,但它们也会将能量用于新陈代谢和繁殖,所以效率不高。种植一吨可用木材可能需要10到15年的时间。电合成就像把5万棵树的二氧化碳捕获和转化能力放进一个冰箱大小的盒子里。

你的分析发现了什么?

我们今天为什么不这样做呢?

可再生电合成技术如何适应减少排放和应对气候变化的战略?

《纽约大学工程新闻》采访了菲尔·德·鲁纳,进一步了解可再生电合成如何将“石油”从石化产品中分离出来。

在它生命的最后,你可以焚烧这种塑料——或者任何其他碳密集型的废物——捕获二氧化碳,然后重新开始这个过程。换句话说,你已经关闭了碳循环,不再需要化石燃料。

以乙烯为例,它是世界上产量最大的石化产品。理论上,你可以用空气中的二氧化碳或废气管制造乙烯——使用可再生电力和合适的催化剂。你可以把乙烯卖给塑料制造商,他们会把乙烯做成塑料袋或草坪椅之类的东西。

我们确定有两个主要因素:一是电力本身的成本,二是电-化学转换效率。

编辑:科学研究 本文来源:从石化行业中解脱出来,新电解技术可使二氧化

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