多倫多大學工程學院的研究人員開發(fā)出一種新型催化劑，即使在存在氧化硫污染物的情況下，也能將捕獲的碳有效轉(zhuǎn)化為乙烯和乙醇等有價值的產(chǎn)品。這一突破為碳捕集與升級提供了一種更經(jīng)濟可行的方法，使鋼鐵和水泥制造等行業(yè)能夠更有效地從廢物流中轉(zhuǎn)化二氧化碳，從而有可能帶來革命性的變化。

　　將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值產(chǎn)品的電化學催化劑可以抵御毒害當前版本的雜質(zhì)。一種新型催化劑可提高捕獲的碳向商業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率，盡管存在氧化硫雜質(zhì)，但仍能保持高效率。這項創(chuàng)新可大幅降低碳捕集技術(shù)的成本和能源需求，對重工業(yè)產(chǎn)生影響。

　　多倫多大學工程系研究人員新設計的催化劑能將捕獲的碳有效地轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品，即使在有污染物存在的情況下，現(xiàn)有催化劑的性能也會下降。

　　這一發(fā)現(xiàn)是向更經(jīng)濟的碳捕集與封存技術(shù)邁出的重要一步，這種技術(shù)可以添加到現(xiàn)有的工業(yè)流程中。

　　7 月 4 日發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上的一篇論文的資深作者大衛(wèi)-辛頓（David Sinton）教授說："今天，我們比以往任何時候都有更多更好的低碳發(fā)電選擇。但還有一些經(jīng)濟部門將更難實現(xiàn)脫碳：例如鋼鐵和水泥制造業(yè)。為了幫助這些行業(yè)，我們需要發(fā)明具有成本效益的方法，以捕獲和提升其廢物流中的碳。"

多倫多大學工程系博士生 Rui Kai (Ray) Miao（左）和 Panos Papangelakis（右）舉起他們設計的新型催化劑，這種催化劑可將捕獲的二氧化碳氣體轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品。他們的催化劑即使在二氧化硫（一種會毒害其他催化劑的污染物）存在的情況下也能表現(xiàn)出色。圖片來源：Tyler Irving / 多倫多大學工程系

　　辛頓和他的團隊使用被稱為電解器的設備，將二氧化碳和電能轉(zhuǎn)化為乙烯和乙醇等產(chǎn)品。這些碳基分子可以作為燃料出售，也可以作為化學原料用于制造塑料等日常用品。

　　在電解槽內(nèi)，當二氧化碳氣體、電子和水基液體電解質(zhì)這三種元素在固體催化劑表面聚集在一起時，就會發(fā)生轉(zhuǎn)換反應。

　　催化劑通常由銅制成，但也可能含有其他金屬或有機化合物，從而進一步改善系統(tǒng)。催化劑的作用是加快反應速度，最大限度地減少氫氣等不良副產(chǎn)品的產(chǎn)生，因為這些副產(chǎn)品會降低整個工藝的效率。

　　雖然世界上許多團隊都生產(chǎn)出了高性能催化劑，但幾乎所有催化劑都是針對純二氧化碳進料而設計的。但是，如果所涉及的碳來自煙囪，那么進料很可能不是純凈的。

　　機械工程專業(yè)博士生、新論文的五位共同第一作者之一 Panos Papangelakis 說："催化劑設計師通常不喜歡處理雜質(zhì)，這是有道理的。硫氧化物（如二氧化硫）會與催化劑表面結(jié)合，從而毒害催化劑。這就減少了二氧化碳發(fā)生反應的位置，而且還會形成你不想要的化學物質(zhì)。這種情況發(fā)生得非�？欤河行┐呋瘎┰诩冞M料的情況下可以持續(xù)數(shù)百小時，而如果引入這些雜質(zhì)，在幾分鐘內(nèi)它們的效率就會下降到 5%。"

　　雖然有一些成熟的方法可以在將富含二氧化碳的廢氣送入電解槽之前去除其中的雜質(zhì)，但這些方法耗時、耗能，而且會提高碳捕集與升級的成本。此外，就二氧化硫而言，即使是一點點也會造成很大問題。

　　Papangelakis 說："即使將廢氣濃度降至百萬分之 10 以下，即進料的 0.001%，催化劑仍會在 2 小時內(nèi)被毒化。"

　　在論文中，研究小組介紹了他們?nèi)绾瓮ㄟ^對典型的銅基催化劑進行兩項關鍵改動，設計出一種能抵御二氧化硫的彈性更強的催化劑。

　　在催化劑的一側(cè)，他們添加了一層薄薄的聚四氟乙烯（又稱特氟龍）。這種不粘材料會改變催化劑表面的化學性質(zhì)，阻礙二氧化硫中毒反應的發(fā)生。

　　在另一側(cè)，他們添加了一層 Nafion，這是一種經(jīng)常用于燃料電池的導電聚合物。這種復雜的多孔材料包含一些親水區(qū)域，即吸水區(qū)域，以及其他疏水區(qū)域，即拒水區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)使得二氧化硫很難到達催化劑表面。

　　研究小組隨后向這種催化劑中加入了二氧化碳和二氧化硫的混合物，后者的濃度約為百萬分之 400，是典型的工業(yè)廢物流。即使在如此苛刻的條件下，新型催化劑仍然表現(xiàn)出色。

　　Papangelakis 說："在論文中，我們報告的法拉第效率（一種衡量有多少電子最終進入所需產(chǎn)品的方法）為 50%，我們能夠?qū)⑦@一效率保持 150 小時。有些催化劑開始時的效率可能較高，可能達到 75% 或 80%。但同樣，如果把它們暴露在二氧化硫中，在幾分鐘或最多幾個小時內(nèi)，效率就會降到幾乎為零。我們能夠抵御這種情況。"

　　由于他的團隊的方法不會影響催化劑本身的成分，因此可以廣泛應用。換句話說，已經(jīng)完善了高性能催化劑的團隊應該能夠使用類似的涂層來抵抗氧化硫的毒害。雖然硫氧化物是典型廢物流中最具挑戰(zhàn)性的雜質(zhì)，但它們并不是唯一的雜質(zhì)，團隊接下來要研究的是全套化學污染物。

　　Papangelakis說："還有很多其他雜質(zhì)需要考慮，如氮氧化物、氧氣等。但是，這種方法對硫氧化物的效果如此之好，是非常有希望的。在這項工作之前，人們只是想當然地認為，在對二氧化碳進行升級之前，必須先去除雜質(zhì)。我們所展示的是，可能有一種不同的方法來處理它們，這開辟了許多新的可能性"。

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