研究人员找到了将二氧化碳转化为可用燃料的新方法

时间:2019-12-11 20:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

研究人员找到了将二氧化碳转化为可用燃料的新方法

 

  观察硬X射线纳米探针同步加速器腔室,同时测量单个氧化亚铜颗粒对二氧化碳,水和光暴露的响应。

  科学家们设计了一种新的催化剂,该催化剂使用光将二氧化碳转化为燃料。

  我们大气中二氧化碳的浓度正在稳步增加,许多科学家认为这正在对我们的环境造成影响。最近,科学家们寻求方法来重新捕获大气中的某些碳,并有可能将其转化为可用的燃料,这将成为可持续能源生产的圣杯。

  在美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的最新研究中,科学家利用阳光和主要由铜制成的催化剂将二氧化碳转化为甲醇。液态燃料甲醇为工业提供了寻找其他资源以满足美国能源需求的潜力。

  “二氧化碳是一种如此稳定的分子,它基本上是由所有物质燃烧产生的,所以问题是我们如何与自然抗争,如何从真正稳定的最终产品转变为有用且能量丰富的产品。”-阿尔贡杰出研究员提雅娜·拉杰(Tijana Rajh)该研究描述了由氧化亚铜的光催化剂(CU 2 O),半导体,当暴露于光可产生电子,电子变得可用来与反应,或减少,许多化合物。激发后,电子在催化剂的低能价带中留下一个正空穴,进而可以氧化水。

  该研究的作者Argonne杰出研究员Tijana Rajh说:“这种光催化剂特别令人兴奋,因为它具有我们使用过的最负的导带之一,这意味着电子具有更多可用于反应的势能。”

  先前尝试使用光催化剂(例如二氧化钛)来减少二氧化碳的趋势倾向于产生整个产品,包括醛到甲烷。Rajh解释说,这些反应缺乏选择性,因此很难分离出可用的燃料流。

  拉杰说:“二氧化碳是一种稳定的分子,它基本上是由所有物质燃烧产生的,所以问题是我们如何与大自然抗争,如何从真正稳定的最终产品转变为有用且能量丰富的产品。”

  将二氧化碳转化为有用能源的想法来自自然界中经常发生这种情况的一个地方。拉吉说:“我们有复制光合作用的想法,这种光合作用是用二氧化碳来做食物,所以为什么我们不能用它来做燃料呢?” “事实证明这是一个复杂的问题,因为要制造甲醇,您不仅需要一个电子,还需要六个电子。”

  通过从二氧化钛转变为氧化亚铜,科学家开发了一种不仅具有更高的负导带,而且在产品方面也更具选择性的催化剂。该选择性不仅由氧化亚铜的化学性质引起,而且由催化剂本身的几何形状引起。

  拉吉说:“借助纳米科学,我们开始具有与表面混合的能力,从而诱发某些热点或改变表面结构,导致应变或某些表面部位暴露的方式与散装产品不同。”

  由于这种“干预”,拉吉和阿贡的博士后研究员Yimin Wu(现为滑铁卢大学的助理教授)设法创造出一种个性分裂的催化剂。他们开发的氧化亚铜微粒具有不同的切面,就像钻石具有不同的切面一样。微粒的许多方面都是惰性的,但在驱动二氧化碳还原为甲醇方面非常活跃。

  拉吉认为,这个方面如此活跃的原因在于两个独特的方面。首先,二氧化碳分子以这样一种方式与其键合,即该分子的结构实际上略微弯曲,从而减少了减少其所需的能量。其次,水分子也被吸收到非常接近二氧化碳分子被吸收的位置。

  拉吉说:“为了制造燃料,不仅需要减少二氧化碳,还需要将水氧化。” “此外,光催化中的吸附构象极为重要-如果您以一种方式吸收一分子的二氧化碳,那可能完全没有用。但是,如果它是弯曲的结构,则会降低要减少的能量。”

  Argonne的科学家还使用了Argonne的高级光子源(APS)的扫描荧光X射线显微镜和纳米级材料中心(CNM)的透射电子显微镜来揭示多面氧化亚铜微粒的性质。APS和CNM都是DOE科学办公室用户设施办公室。

  11月4日在线版《自然能源》上发表了一篇基于该研究的论文,即“单一的Cu 2 O颗粒光催化剂的Facet依赖性活性位点,可将CO 2还原为甲醇。” 这项研究的其他贡献者包括阿尔贡(Argonne)的伊恩·麦克努尔蒂(Ian McNulty),刘聪,刘嘉俊,保罗·保利卡斯(Paul Paulikas),孙成军,柴忠厚,杰夫·嘉斯,杨仁,沃克斯拉夫·斯塔门科维奇,拉里·柯蒂斯和刘子子。香港城市大学的刘琦也做出了贡献。

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