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新研究在將二氧化碳轉化為甲醇的過程中,取得了巨大的進步

新研究在將二氧化碳轉化為甲醇的過程中,取得了巨大的進步

賓夕法尼亞州立大學的研究人員稱,在將二氧化碳(一種溫室氣體)轉化為甲醇的過程中,已經取得了巨大的進步。

大氣二氧化碳濃度正在增加,氣候變化正成為全球關注的問題,需要全球努力減少二氧化碳排放。一種方法是用二氧化碳作為碳源與氫反應,氫是用可再生能源從水中產生的,反應合成甲醇。這將有助於減少二氧化碳排放,減輕對化石燃料的依賴。

研究人員通過開發一種新型催化劑,利用鈀和銅的特定配方,將二氧化碳轉化為甲醇。甲醇由氫、氧、碳四部分組成。該理論和實驗工作最近發表在ACS催化上,是與中國大連理工大學聯合賓大聯合能源研究中心合作進行的多年綜合實驗和計算研究的結果。賓大-大連合作研究發現了將這兩種金屬結合為催化劑的好處。

將二氧化碳轉化為甲醇的一個關鍵因素是找到一種好的催化劑,使甲醇能夠以高效率的高選擇性生產。在鈀-銅原子比為0.3 - 0.4的範圍內,將鈀和銅結合在一起,利用分散在多孔支撐材料上的催化劑納米顆粒,使甲醇從二氧化碳中得到最有效的轉化,增加了催化劑的表面積。使用核桃大小的催化劑,催化劑的內部表面積將覆蓋足球場的面積。

研究人員發現,使用這兩種金屬的精確原子比,新配方使甲醇生成率比鈀本身增加了三倍,比銅本身增加了四倍,這比以前的方法有了顯著的改進。

研究所把這個過程比作一隻貓在觸媒上抓老鼠。為了實現轉化,你需要二氧化碳——貓——和氫氣——老鼠。但是你需要為貓成功地抓住老鼠創造理想的條件。如果貓夠不到老鼠,或者環境讓它慢下來,貓就不會那麼成功。

這是因為,結合兩種金屬的催化劑不僅可以降低能量需求,加速二氧化碳和氫氣的反應,而且還可以改變反應路徑,以生產出更理想、更高效的產品。

「傳統的研究集中在銅上,但這並不能產生有效的結果,」宋說。鈀也是如此。但將鈀和銅結合在一起會產生一種獨特的表面結構,顯示出從二氧化碳中生成甲醇的特殊選擇性。這項研究提供了關於將這兩種金屬結合在一起的協同效應的基本見解。

為了生成甲醇,研究人員將氫氣和二氧化碳泵入裝有催化劑的反應堆容器的密封室,並將其加熱到356到482華氏度之間。二氧化碳到甲醇的最大轉化量約為24%,而未轉化的二氧化碳和氫氣將被循環利用,並在工業環境中返回到容器中,就像用一氧化碳和氫氣合成傳統甲醇一樣。

二氧化碳加氫過程通過分解水,利用可再生能源生成氫氣,然後與催化劑表面的二氧化碳結合生成甲醇。宋說,因為他們的催化劑鼓勵了高選擇性,所以更多的產品會生成甲醇。

甲醇被用來製造許多材料和燃料,從膠粘劑和膠合板底層到水瓶、防皺襯衫和柴油燃料。它也是一種用於製造防凍劑、擋風玻璃清洗液、溶劑和其他產品的化學物質。宋通過賓夕法尼亞州立大學-大連聯合能源研究中心,正在積極開發將二氧化碳轉化為工業上有用的化學物質、燃料和塑料等材料的新型催化劑。

宋說,利用可再生能源利用二氧化碳高效地製造燃料和工業化學品被認為是應對氣候變化的聖杯,因為這些燃料甚至比碳中性或可再生燃料更好。這一過程實質上是將溫室氣體轉化為燃燒時排放二氧化碳的燃料。當這個過程與從環境中捕獲的二氧化碳結合在一起時,相當於回收二氧化碳,而不是創造或避免它。

「我們目前的能源系統很大程度上依賴於碳基化石能源,」宋說。「即使是生物量、沼氣和有機垃圾等可再生燃料,都是基於碳的。但在未來,碳從何而來?如果我們開始使用二氧化碳中的碳,我們可以回收它,創造一個可持續的碳基能源循環,然後穩定大氣中的二氧化碳濃度。這就是為什麼我對此充滿激情。

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