新型催化剂将工业排放的二氧化碳转化为常用化学品

一种低成本的锡基催化剂可以选择性地将二氧化碳转化为三种广泛生产的化学品——乙醇、乙酸和甲酸。

许多工业运营的排放物中潜藏着一种未开发的资源——二氧化碳(CO2)。作为温室气体和全球变暖的贡献者，它可以被捕获并转化为增值化学品。

在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室、北伊利诺伊大学和瓦尔帕莱索大学的合作项目中，科学家们报告了一系列催化剂，可以有效地将CO2转化为乙醇、乙酸或甲酸。这些液态碳氢化合物是美国产量最多的化学品之一，存在于许多商业产品中。例如，乙醇是许多家用产品的关键成分，也是几乎所有美国汽油的添加剂。

该催化剂基于沉积在碳载体上的锡金属。“如果完全开发出来，我们的催化剂可以将各种工业来源产生的CO2转化为有价值的化学品，”刘迪佳说。“这些来源包括化石燃料发电厂以及生物发酵和废物处理设施。”刘是阿贡国家实验室的高级化学家，也是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的高级科学家。

该团队使用的方法称为电催化转化，这意味着催化剂上的CO2转化是由电力驱动的。通过改变所使用的锡的尺寸，从单个原子到超小簇以及更大的纳米微晶，该团队可以分别控制CO2转化为乙酸、乙醇和甲酸。这些化学品的选择性均为90%或更高。“我们发现催化剂尺寸改变反应路径是前所未有的，”刘说。

计算和实验研究揭示了对形成三种碳氢化合物的反应机制的一些见解。一个重要的见解是，当转化中使用的普通水切换为氘化水(氘是氢的同位素)时，反应路径完全改变。这种现象称为动力同位素效应。以前从未在CO2转化中观察到过这种现象。

这项研究受益于美国能源部位于阿贡的两个科学办公室用户设施——先进光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)。

“利用APS提供的硬X射线束，我们捕获了不同锡负载量的锡基催化剂的化学和电子结构，”阿贡物理学家孙成军说。此外，CNM的透射电子显微镜可实现高空间分辨率，直接对具有不同催化剂负载量的锡原子排列(从单个原子到小原子簇)进行成像。

刘说，“我们的最终目标是利用当地风能和太阳能发电来生产所需的化学品供当地消费。”

这需要将新发现的催化剂集成到低温电解槽中，利用可再生能源提供的电力进行CO2转化。低温电解槽可以在接近环境温度和压力下运行。这样可以快速启动和停止，以适应可再生能源的间歇性供应。这是实现这一目的的理想技术。

“如果我们能够有选择地只生产现场附近需要的化学品，我们就可以帮助降低CO2运输和储存成本，”Liu指出。“对于我们技术的当地采用者来说，这确实是一个双赢的局面。”