NUS发表Nature Communications!把二氧化碳转化为化学原料

2024年05月14日   •   2808次阅读

NUS设计与工程学院化学与生物分子工程系助理教授林彦玮领导团队,在《Nature Communications》开发了一项革命性技术。能够高效地将烟道气中的二氧化碳转化为高价值化学品,有助于缓解全球暖化问题。

▲第一作者:汪猛(新加坡国立大学化学与生物分子工程系)

通讯作者:Yanwei Lum,Bingqing Wang

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-024-45527-1

新加坡国立大学的研究团队,研发出一项突破性的技术,能高效转化烟道气中的二氧化碳为高价值化学物质,可进一步加工制成塑料和清洁剂等产品。这既能缓解全球暖化问题,也可实现经济效益。

碳捕获、利用和封存,是缓解全球暖化的方案之一。其中,这套方案利用的化学反应,包括二氧化碳电化学还原(electrochemical reduction)反应,也就是利用电能,把二氧化碳转化为还原性更强的化学物质。

烟道气指的是通过烟道排出到大气中的燃烧废气。从烟道气把二氧化碳转化为高价值化学物质的效率,取决于二氧化碳的纯度;二氧化碳越纯,效率越高。

烟道气的二氧化碳浓度较低,并存在氧等杂质,会引发副化学反应,进一步降低二氧化碳还原效率。

新加坡国立大学设计与工程学院化学与生物分子工程系助理教授林彦玮(右起)、博士生汪猛、研究员王兵庆博士研发一种突破性科技,能把烟道气二氧化碳直接转化为高值化学物。林彦玮和汪猛手中拿着的是用于转化二氧化碳的反应器,王兵庆则拿着含有乙醇的电解质,来源:联合早报

因此,在转化烟道气的二氧化碳前,往往得先经过高度净化,但所需成本和能源消耗都相当高,每公吨二氧化碳的净化成本,可达70美元至100美元(约94新元至134新元)。

以生产乙烯(ethylene)为例,净化二氧化碳的成本,约占总生产成本的三成。

为解决这个问题,国大团队开发新技术,在铜表面附着镍催化剂(nickel catalyst),并结合酸性电解质。这个反应器能显著抑制烟气中氧杂质引起的副反应,使得烟道气中的二氧化碳转化效率,接近于纯二氧化碳的水平。

这项技术不仅省去了对二氧化碳的净化步骤,还可直接将烟道气中的二氧化碳,转化成乙烯和乙醇(ethanol)等高价值多碳(C2+)化学物。这些化学原料可进一步制成塑料和清洁剂等。

值得一提的是,这项技术具有灵活性,可根据生产需求调整,把二氧化碳转化成醋酸盐(acetate)和丙醇(propanol)。这些化学物经过加工,可用于生产粘合剂和清洁剂等产品。

实验室一周转化35克二氧化碳

国大设计与工程学院化学与生物分子工程系助理教授林彦玮(36岁)是项目首席研究员。他说,实验室规模的反应器面积为五平方厘米,在低运转模式下,每天可转化约五克的二氧化碳,一周可转化35克。

助理教授林彦玮,来源:NUS

“如果反应器面积扩大至100平方厘米,在低运作模式下,一周能转化700克二氧化碳。反应器还可堆叠,10个反应器堆叠在一起,每周可转化七公斤的二氧化碳。”

延长反应器使用寿命是挑战之一

研究团队目前要克服的挑战之一,是延长反应器的使用寿命,因为反应器持续运作七天后,一些部件会逐渐分解。

此外,由于反应器须用到大量电力,也会产生热能,当技术规模扩大并部署在工业环境中,如何排热将是一大问题。 

因此,研究团队希望与业者合作,探讨如何优化技术,并扩大部署规模。目前,有日本和德国企业已表示有兴趣。

林彦玮指出,这种技术更适用于那些拥有大量可再生能源的地方,因为这项技术需要大量电力供应。如果使用化石燃料供电,就会产生二氧化碳排放,这与技术推动可持续发展的初衷相悖。

“新加坡缺乏可再生能源,进口的可再生能源,应用于为商场冷气供电等来促进环保,若用于转化二氧化碳则并不理想。”

让我们来看看这个研究的实验数据吧~

a溅射到多孔疏水性 PTFE 气体扩散基底上的 Cu 的 SEM 图像。b SEM 和 ( c ) Ni-N 4的 TEM 图像,由碳载体上的 Ni 单原子组成。d Ni-N 4的 AC-HAADF-STEM 图像。e Cu PTFE/Ni-N 4复合催化剂的SEM图像。f HAADF-STEM 和相应的 Ni-N 4催化剂的 EDS 映射图像,来源:《Nature Communications》

Cu PTFE 是通过将 200 nm 的 Cu 溅射到多孔疏水性 PTFE 基材上制成的。然后将一层Ni-N 4催化剂喷涂到Cu PTFE上以产生Cu PTFE/Ni-Ni 4 -1。Cu PTFE/Ni–Ni 4 -2 是通过溅射 5 nm 的 Cu,然后喷涂另一层 Ni–N 4催化剂制成的。再次重复该步骤以获得最终的Cu PTFE/Ni-Ni 4复合催化剂,来源:《Nature Communications》

参考文献:

Acidic media enables oxygen-tolerant electrosynthesis of multicarbon products from simulated flue gasNature Communications(2024)

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