亚博-莱斯大学开发出催化反应器生产高浓度燃料电池燃料

编辑:亚博 发布时间:2019-10-10

研究人员通过可再生电力驱动电解槽生产纯液体燃料,以环保有效的方式再利用温室气体。据外媒报道,莱斯大学化学与生物分子工程师Haotian Wang实验团队开发的催化反应器,以二氧化碳为原料,生产高度纯化和高浓度甲酸,可作为燃料电池燃料,用来提供电力,所排放的二氧化碳可以再次回收利用。

Wang说,用传统的二氧化碳装置生产甲酸,其净化过程成本昂贵且耗能高。直接生产纯甲酸溶液,可推动二氧化碳转化技术的商业化。

Wang的团队致力于研发新技术,将温室气体转化为有用产品。在实验过程中,新型电催化剂的能量转换率达到42%左右,这意味着近一半的电能以液态燃料的形式储存在甲酸中。

他说:“它也是化学工程行业的基础。作为其他化学品的原料,以及氢气的储存材料,甲酸能够容纳的能量,几乎是同等体积氢气1000倍。而且,氢气很难压缩,这是目前氢燃料电池汽车面临的一大挑战。”

莱斯大学博士后研究员Chuan Xia说,他们在两方面取得进展,促进新设备的研发。第一是他开发出坚固的二维铋催化剂,第二是固态电解质,在反应过程中不需要盐。

“与铜、铁或钴等过渡金属相比,铋是一种非常重的原子。”Wang 说,“它的迁移率很低,尤其是在反应条件下,这样就可以使催化剂处于稳定状态。”另外,他指出,反应器的构造可以防止水接触催化剂,有助于保护催化剂。

这种纳米材料可以通过新方法批量生产。Xia说:“目前,人们生产的催化剂是按毫克或克计的。采用我们开发的方法,可以使产量增加至千克以上,更容易应用至工业领域。”

该固体电解质以聚合物为基础,外面覆以磺酸配体进行正电荷传导,或覆以氨基官能团传导负离子。Wang说:“在盐水等传统液体电解质中,人们通常会减少二氧化碳。但是,纯水电解质的电阻太大,影响导电。添加氯化钠或碳酸氢钾等盐类后,离子才能在水中自由移动。”

“然而,用这种方法产生的甲酸,会和盐混合。”他说,“在大多数应用中,你必须从最终产品中除去盐,这样做会提高能耗和成本。因此,我们使用固体电解质来传导质子,这种电解质可以用不溶性聚合物或无机化合物制造,不需要盐。”

水流经过产物室的速度决定了溶液浓度。在当前设置下,水的流速较慢,根据重量计算,能够产生约为30%的甲酸溶液可以通过调整流速来改变浓度。研究人员希望,下一代反应器的产物浓度更高,而且允许气体流动,能够产生纯甲酸蒸汽。

莱斯实验室与布鲁克海文国家实验室合作观察这一过程。“X射线吸收光谱是一种强大的技术,可在布鲁克海文实验室国家同步加速器光源II的内壳光谱(ISS)波束线上获取。我们可以在操作过程中(即实际的化学过程中)探测电催化剂的电子结构。”该研究的合著者之一、国际空间站首席束线科学家Eli Stavitski表示,“在这项研究中,我们跟踪铋在不同电位下的氧化状态,并且能够鉴别催化剂在二氧化碳还原过程中的活性状态。”

该实验室利用现有反应器,能够连续100小时生产甲酸,反应器组分(包括纳米级催化剂)的降解忽略不计。Wang表示,该反应器还可以进行改良,用以生产诸如乙酸、乙醇或丙醇等高价值产品。

Wang表示:“总的来说,对于改善全球变暖以及绿色化学合成,减少二氧化碳排放都是非常重要的。如果利用太阳或风能等可再生资源产生的电力,我们就可以创造一个循环过程,在不增加二氧化碳排放的情况下,将二氧化碳转化为某种重要的东西。”

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