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研究人员设计了一种改善碳中性塑料的途径

美国T工程公司和加州理工学院的研究人员设计了一种新的改进系统,可以在中性条件下有效地将CO2,水和可再生能源转化为乙烯(乙烯是从医疗器械到合成纤维的多种塑料产品的前身)。该设备有可能为常用化学物质提供碳中和途径,同时增强废碳和过量可再生能源的存储。

“二氧化碳的经济价值很低,这降低了二氧化碳在进入大气层之前进行捕集的动力,” T Engineering U的项目负责人Ted Sargent教授说。“将其转化为乙烯,这是世界上使用最广泛的工业化学品之一,改变了经济。可再生乙烯提供了替代化石燃料的途径,而化石燃料目前是该化学品的主要原料。”

去年,Sargent和他的团队在《科学》杂志上发表了一篇论文,描述了他们如何使用电解器(一种利用电能驱动化学反应的装置)将CO2转化为乙烯的效率达到创纪录的水平。在该系统中,CO2气体,水和电这三种反应物都在铜基催化剂的表面上聚集在一起。

尽管该设备对团队来说是一项突破,但仍有改进的空间。最新版本已在《自然》杂志上发表,该版本进一步修改了催化剂,以增强系统性能并降低其运行成本。

博士后研究员李凤旺说:“该反应面临的挑战之一是,虽然某些CO2转化为乙烯,但大部分转化为副产物,尤其是碳酸盐,它溶解在电解器的液体侧。”新论文的主要作者。这种不希望的损失增加了随后的产品分离和纯化的成本。”

在最新的工作中,Sargent的团队与加州理工化学教授Jonas C. Peters和Theodor Agapie合作。他们对一类称为芳基吡啶鎓的分子的已发表研究表明,将其添加到催化剂中比其他副产物更有利于乙烯的生产。

通过理论计算和实验,两个团队筛选出了十二种以上的芳基吡啶鎓,然后选择了一种。果不其然,在铜催化剂表面添加一层薄薄的该分子可显着提高反应对乙烯的选择性。它还带来了另一个好处:将工作反应的pH从碱性降低到中性。

Li说:“以前的系统要求反应的水侧必须处于高pH值,非常碱性的条件下。” “但是,二氧化碳与水中的苛性钠反应会降低pH值,因此我们必须不断添加化学物质以保持pH值。新系统在中性条件下同样有效,因此我们可以消除额外的成本以及碳酸盐形式的二氧化碳损失。”

改进的催化剂的使用寿命也比以前的催化剂更长,可以稳定运行近200个小时。另一个增强功能-将催化剂表面的面积增加了五倍-使团队了解了将生产规模扩大到工业水平所需要克服的挑战。

尽管原型产品距离商业化还有很长一段路要走,但总体概念为解决可持续性方面的几个关键挑战提供了一种有希望的方式。它消除了开采更多石油以生产基于乙烯的塑料和其他消费品的需求,并将废二氧化碳转化为原料,从而增加了投资于碳捕集的新动力。

李还指出,这样的系统可以由间歇性可再生资源(例如风能或太阳能)供电。当前,这些系统产生的电量和消费者需求之间常常不匹配。通过以乙烯的形式存储多余的电量,该系统提供了一种平滑那些峰谷的方法。

“这种二氧化碳转化为乙烯的系统的最大优点是,您无需在捕获和循环利用二氧化碳排放之间进行选择,而不必通过替代使用的化石燃料来首先防止其发生,” “我们可以同时做这两个。”

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