新突破可能导致更安全的储能

哥伦比亚大学工程与应用科学学院的工程师已经观察到二氧化碳如何在电极-电解质界面处被活化。使用表面增强拉曼光谱法，该发现将催化剂设计从反复试验的范式转变为合理的方法，并可能导致替代，更便宜，更安全的可再生能源存储。

长期以来，科学家一直在寻找将大量二氧化碳转化为有用产品的方法，例如化学品和燃料。早在1869年，他们就能够将CO2电催化转化为甲酸。在过去的二十年中，地球大气中二氧化碳的上升大大加快了使用可再生能源（包括太阳能，风能和潮汐能）的二氧化碳转化研究。由于这些资源是间歇性的-太阳不是每天都照耀着，风也不是一直在吹-因此，如何安全，经济地存储可再生能源是一个重大挑战。

可视化从基于化石燃料的空气污染经济到基于可再生能源的清洁经济的转变，这可以通过将大量CO2电催化转化为燃料和其他有用化学物质来实现。该反应的瓶颈是线性CO 2分子活化成吸附后的羧酸盐，而CO 2呈椅子状。图片来源：Irina Chernyshova和Sathish Ponnurangam /哥伦比亚工程。单击图像可查看最大视图。

电催化CO2转化的最新研究指出了使用CO2作为原料和使用可再生电力作为能源供应来合成不同类型的燃料和增值化学品（例如乙烯，乙醇和丙烷）的方法。但是科学家们甚至还不了解这些反应的第一步– CO2活化，或者在接受第一个电子时催化剂表面的线性CO2分子发生转化。

知道活化的二氧化碳的确切结构至关重要，因为其结构决定了反应的最终产物及其能源成本。该反应可以从许多初始步骤开始，并经过许多途径，通常产生多种产物。如果科学家弄清楚该过程是如何工作的，他们将能够更好地选择性促进或抑制某些途径，这将导致该技术在商业上可行的催化剂的开发。

哥伦比亚工程公司的研究人员宣布，他们解决了难题的第一部分，他们证明了CO2电解还原始于一个常见的中间体，而不是通常认为的两个中间体。他们应用了一套全面的实验和理论方法来鉴定CO2电解还原的第一个中间体的结构：将C2和O原子附着在表面上的羧酸CO2。他们的突破是通过应用表面增强拉曼散射（SERS）而不是更常用的表面增强红外光谱（SEIRAS）在PNAS上在线发布的。量子化学模型证实了光谱结果。

这些论文的主要作者，地球与环境工程学系副研究员Irina Chernyshova说：“我们对CO2活化的发现将为各种可能性打开大门：如果我们能完全理解CO2的电还原，那么就能够减少我们对化石燃料的依赖，有助于缓解气候变化。此外，我们对固水界面CO2活化的深入了解将使研究人员能够更好地模拟从CO2到可能导致地球生命起源的益生元情景。”

他们决定使用SERS而不是SEIRAS进行观察，因为他们发现SERS具有许多显着优点，可以更准确地识别反应中间体的结构。最重要的是，研究人员能够测量沿整个光谱范围和在操作电极上（在操作中）在电极-电解质界面形成的物质的振动光谱。使用量子化学模拟和传统的电化学方法，研究人员能够首次详细了解如何在电极-电解质界面活化CO2。

理解第一反应中间体的性质是将电催化CO2转化为有用化学品的商业化的关键步骤。它为从反复试验范式过渡到合理的催化剂设计奠定了坚实的基础。

这些论文的合著者Sathish Ponnurangam是Somasundarans实验室的前研究生和博士后，现在是加拿大卡尔加里大学化学与石油工程的助理教授，他说：“有了这些知识和计算能力，研究人员将能够预测更准确地说明了在不同催化剂上的反应，并指出了最有前途的催化剂，可以进一步进行合成和测试。”

加州理工学院化学，材料科学和应用物理教授威廉·戈达德，查尔斯和玛丽·费克尔的第三方观点没有参与这项研究。他说：“哥伦比亚工程实验提供了这样的细节，我们应该能够获得确定性的计算模型验证。我希望，与我们的理论一起，哥伦比亚工程公司的实验将提供精确的机制，并且研究该机制如何针对不同的合金，表面结构，电解质，添加剂而变化，从而能够优化用于水喷溅（太阳能）的电催化剂。 ，将二氧化碳减少为燃料和有机原料，将氮气减少为NH3以获得便宜得多的肥料，这是社会获取能源和食物以适应我们不断膨胀的人口所面临的所有关键问题。”

电催化和光催化（所谓的人工光合作用）是实现有效存储可再生能源的最有希望的方法之一。二氧化碳电还原法与光合作用相似，已有150多年的历史了。就像植物将阳光转化为化学能一样，催化剂也会将可再生能源提供的电子转化为化学能，并存储在还原的二氧化碳产品中。除了将其用于可再生能源之外，电催化技术还可以通过提供回程燃料和来自构成该星球大气95％的CO2的含碳化学物质，来实现载人火星任务和殖民地的发展。

地球与环境工程学系矿物工程学教授LaVon Duddleson Krumb的Ponisseril Somasundaran表示：“我们希望我们的发现和方法论能够推动人们以更快的速度和更低的能源成本推动工作，这不仅是电催化的，而且是光催化的CO2还原。在后一种情况下，催化剂使用阳光直射来还原CO2。尽管这两种方法在实验上是不同的，但它们在微观上是相似的，但两者都始于电子从催化剂表面转移后活化CO2。在这一点上，我相信这两种方法都将主导未来。”

该小组目前正在努力探索后续的反应步骤，以了解CO2如何进一步转化，并开发基于富含铜的元素（例如铜（铜）和锡（锡））的优质催化剂。

这是真正的基础或基础研究的另一个例子。对于所有二氧化碳再循环研究，它可能主要来自直觉，创造力和决心指导下的反复试验，这可能令人惊讶。现在事情可能会好起来。

但是请记住，在碳燃烧的废气中，二氧化碳的比例很高。全球变暖大气概念并不实用，但是现在开始和建立基于人类的碳循环似乎更加紧密，这很可能将CO2歇斯底里问题从气候变化讨论中排除。

通过Newenergyandfuel.com