新催化剂可以通过将捕获的碳转化为乙酸来增加捕获的碳的价值

通过开辟制造这种关键工业化学品的新途径，这项创新可以刺激对碳捕获和储存的新投资，全球市场规模每年超过100亿美元。

“从技术的角度来看，碳捕获在今天是可行的，但从经济的角度来看还不可行，”TedSargent教授说，他最近加入了西北大学化学系和电气与计算机工程系，但仍然保持着多伦多大学应用科学与工程学院的实验室。

“通过使用电化学将捕获的碳转化为具有成熟市场的产品，我们提供了改善这些经济性的新途径，并为我们仍然需要的工业化学品提供了更可持续的来源。”

Sargent和他的合作者在使用电解槽(电力驱动所需化学反应的设备)将捕获的碳转化为关键的工业化学品(包括乙烯和丙烯)方面有着良好的记录。

在《自然》杂志上发表的一篇论文中，他们将醋酸添加到列表中。

尽管醋酸作为家用醋中的关键成分可能最为人熟知，但JoshWicks是EdwardS.RogersSr.电气和计算机工程系的一名新近毕业的博士，也是该论文的四位共同主要作者之一，他说，这使用仅占其全球市场的一小部分。

“醋中的乙酸通常需要通过发酵来自生物来源，因为人类会食用它，”Wicks说。

“但大约90%的乙酸市场用作制造油漆、涂料、粘合剂和其他产品的原料。这种规模的生产主要来自甲醇，而甲醇又来自化石燃料。”

Wicks和团队查阅了生命周期评估数据库后发现，对于从甲醇中生产出的每公斤乙酸，该过程会释放1.6公斤的二氧化碳。

他们的替代方法通过两步过程进行：捕获的气态CO2首先通过电解槽，在那里它与水和电子反应形成一氧化碳(CO)。气态CO然后通过第二个电解槽，在那里另一种催化剂将其转化为包含两个或多个碳原子的各种分子。

“我们面临的一个主要挑战是选择性，”Wicks说。“用于第二步的大多数催化剂促进了多个同时发生的反应，这导致难以分离和纯化的不同双碳产物的混合物。我们在这里试图做的是设置有利于一种产品高于所有其他产品的条件。”

该团队进行了详细的原子建模，以预测催化剂成分的变化将如何影响形成的产物。他们还研究了其他因素的影响，例如发生反应的压力。

他们的分析表明，与以前的催化剂相比，使用更低比例的铜(大约百分之一)将有利于乙酸的生产。它还表明将压力升高到10个大气压将是有益的。

“与工业热化学过程相比，使用室温和一个大气压是电化学的主要优势。然而，我们发现通过结合电化学稍微增加压力——与某些工业过程相比，10个大气压并不是很大的进步，工业过程可能在60-100个大气压范围内——我们可以实现破纪录的选择性.

“例如，以乙烯为目标的催化剂通常最多可达到70%至80%左右，因此我们远高于此。”

新催化剂似乎也相对稳定。虽然一些催化剂的法拉第效率会随着时间的推移而降低，但该团队表明，即使在运行820小时后，它仍保持在85%的高水平。

Wicks希望导致团队成功的因素——包括新颖的目标产品、略微增加的反应压力和催化剂中较低比例的铜——能够激发其他团队跳出固有思维模式。

“其中一些方法违背了该领域的传统智慧，但我们证明它们可以非常有效，”他说。

“在某个时候，我们将不得不对化学工业的所有元素进行脱碳处理，因此我们获得有用产品(无论是乙醇、丙烯还是乙酸)的途径越多越好。”