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从二氧化碳到乙烯—研究人员发现了将温室气体转化为有价值产品的有效途径

来源:加州大学洛杉矶分校萨穆里新闻室(UCLA Samueli Newsroom)

加州理工学院和加州大学洛杉矶分校萨穆里理工学院的Aresearch团队展示了一种有前途的方法,可以有效地将二氧化碳转化为乙烯-一种重要的化学品,用于在全球范围内生产塑料,溶剂,化妆品和其他重要产品。

科学家开发了具有特殊形状表面的纳米级铜线,以催化化学反应,从而减少温室气体排放,同时生成乙烯(一种有价值的化学物质)。反应的计算研究表明,成型催化剂比氢气或甲烷更有利于乙烯的生产。一项详细研究进展的研究发表在《自然催化》上。

该研究的共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校材料科学与工程教授Yu Huang说:“我们正处于化石燃料枯竭的边缘,同时还面临着全球气候变化的挑战。”“开发能够有效地将温室气体转化成增值燃料和化学原料的材料,是减轻全球变暖的关键一步,同时又避免了开采日益受限的化石燃料。这项集成的实验和理论分析为二氧化碳的再生利用提供了一条可持续的道路。”

目前,乙烯在全球的年产量为1.58亿吨。其中大部分变成了聚乙烯,用于塑料包装。乙烯由碳氢化合物(例如天然气)加工而成。

该研究的共同通讯作者、加州理工学院 Charles and Mary Ferkel 化学、材料科学和应用物理教授 William A. Goddard III 说:“使用铜催化这种反应的想法已经存在了很长时间,但关键是要加快速度,使其足够快地用于工业生产。“这项研究显示了迈向这一目标的坚实道路,有潜力利用二氧化碳将乙烯生产转变为绿色工业,否则二氧化碳将最终进入大气。”

使用铜来启动将二氧化碳(CO2)还原为乙烯反应(C2H4)受到了两次打击。首先,最初的化学反应还产生了氢气和甲烷,这在工业生产中都是不希望的。其次,导致乙烯生产的先前尝试并没有持续很长时间,随着系统继续运行,转化效率逐渐下降。

为了克服这两个障碍,研究人员将精力集中在具有高度活性“台阶”的铜纳米线的设计上,这类似于以原子级排列的一组楼梯。这项合作研究的一个有趣发现是,在反应条件下,跨越纳米线表面的台阶模式保持稳定,这与人们普遍认为这些高能量特征会消失的看法相反。这是生产乙烯而不是其他最终产品的系统耐用性和选择性的关键。

电催化系统

插图说明了电催化系统,该系统先合成光滑的纳米线,然后通过施加电压将其激活,以得到粗糙的阶梯状表面,该表面对于将CO2还原为乙烯具有很高的选择性。

图片:Huang and Goddard

该团队证明了二氧化碳到乙烯的转化率大于70%,比以前的设计效率要高得多,后者在相同条件下的转化率至少降低了10%。新系统运行了200个小时,转化效率几乎没有变化,这是铜基催化剂的重大进步。此外,对结构-功能关系的全面理解为设计高活性和持久性的CO2还原催化剂提供了新的视角。

Huang和Goddard多年来一直是频繁的合作者,Goddard的研究小组专注于支持化学反应的理论原因,而Huang的小组已经开发了新材料并进行了实验。该论文的主要作者是Chungseok Choi,他是UCLA Samueli的材料科学和工程专业的研究生,也是Huang实验室的成员。

原文链接:https://samueli.ucla.edu/from-co2-to-ethylene/

声明:本文由 Cpolymer 编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

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