为了应对二氧化碳(CO2)排放不断增加及其对气候变化的影响所带来的紧迫挑战，新加坡国立大学(NUS)的研究人员开发出了一种新技术，可以显著促进将废弃二氧化碳(CO2)转化为增值化学品和燃料。
该研究团队由新加坡国立大学设计与工程学院化学与生物分子工程系助理教授陆彦伟带头，其创新技术能够将处理过的烟气中产生的二氧化碳(工业过程中常见的副产品)直接转化为乙烯和乙醇等高价值的多碳(C2 +)产品，而这些产品是生产塑料、聚合物和洗涤剂等各种日常化合物的重要原材料。
这一进步不仅避免了对高纯度二氧化碳的需求，而且还有效地重新利用了一种普遍存在的废弃物，标志着我们在闭合碳循环和减少对化石燃料的依赖方面迈出了一大步。
将催化剂设计与电解质选择结合起来
碳捕获、利用和储存是实现可持续未来的基本过程，它依赖于一系列技术，其中 CO 2的电化学还原至关重要。该过程将 CO 2转化为一系列有价值的化学品和燃料原料，传统上需要高纯度 CO 2，由于从烟气等来源纯化化合物需要耗费大量能源，因此成本高昂。此外，烟气中存在的氧杂质会导致不良的副反应，从而大大降低 CO 2还原过程的效率。
Lum 助理教授的团队旨在通过将催化剂设计与电解质选择相结合来规避这些挑战。在他们最近的研究中，该研究于 2024 年 2 月 26 日发表在著名科学期刊《自然通讯》上，研究人员首次介绍了一种新方法来设计催化剂，大大提高了二氧化碳电化学转化的效率。利用这种方法，他们设计了一种镍催化剂，在二氧化碳还原方面具有出色的性能，实现了超过 99% 的惊人效率。
在另一项基于上述研究的研究中，新加坡国立大学团队设计了一个复合系统，将这种镍催化剂逐层铺在铜表面上。“我们发现，将酸性电解质与这种复合系统相结合，可以显著抑制烟气中氧杂质引起的不良副反应，”助理教授 Lum 解释说。令人印象深刻的是，该系统表现出与使用纯 CO 2作为原料的系统相当的性能。第二项研究于 2024 年 2 月 9 日发表在同一期刊上。
Lum 助理教授强调了他们研究的潜在经济影响，“净化二氧化碳的成本约为每吨 70 至 100 美元，这约占通过电化学方式将二氧化碳转化为乙烯等原料成本的 30% 。 ”
Lum 助理教授补充道： “我们的新技术展示了开发高效电解器的潜在途径，用于直接转化烟气中的二氧化碳，使用简单但有效的电解质和催化剂设计策略来推进综合可持续性解决方案。”
扩大规模以适应大规模应用
这项研究的潜在影响不仅限于乙烯和乙醇的生产。通过调整催化剂系统，研究人员的技术可以用于合成其他有价值的化学品，例如醋酸盐和丙醇，它们分别用于生产粘合剂和消毒剂等日常用品。这种多功能性为将废弃的二氧化碳转化为各种化学品提供了广阔的平台，凸显了该技术对不同工业需求的适应性。
“我们看到业界对此表现出浓厚兴趣，目前正在与一些公司洽谈进一步推进这项研究，” Lum 助理教授表示。“我们的目标是提高系统的能源效率和可扩展性，超越实验室规模的实验，开发可应用于工业环境的原型反应堆。”