将二氧化碳转化为工业燃料

王浩天所说的未来可能比许多人意识到的更近。

作为哈佛大学Rowland研究所的研究员，Wang及其同事开发了一种改进的系统，使用可再生电力将二氧化碳减少为一氧化碳 - 这是许多工业过程中使用的关键商品。该系统在11月8日发表于Joule的论文中有所描述，Joule是一家新推出的Cell press姐妹期刊。

“最有前途的想法可能与燃煤电厂或产生大量的CO等行业，这些设备连接2，”王说。“这些气体的大约20％的CO 2，所以如果你能抽他们进入该小区......并用清洁的电能结合起来，那么我们有可能产生有用的化学物质这些废物以可持续的方式，甚至关闭部分的该CO 2循环“。

Wang说，新系统代表了他和同事们在2017年Chem的论文中首次描述的一个重大进步。

其中老系统是一个蜂窝电话的勉强的大小和依靠两个充满电解质的腔室，其中的每一个保持的电极，新系统是更便宜的，并且依赖于高浓度的CO 2气体和水蒸气更有效地运行- - 王说，只需一个10×10厘米的电池，每小时可以产生多达4升的CO。

王说，新系统解决了两个主要挑战 - 成本和可扩展性 - 被视为限制了最初的方法。

“在早工作中，我们已经发现了单一的镍原子催化剂，这对于减少二氧化碳非常有选择性的2到CO ...但我们面临的一个挑战是，所用原料合成昂贵的，”王说。“我们用来锚定单个镍原子的支持是基于石墨烯，如果你想在未来实际使用时以克或甚至千克的规模生产它，那么它很难扩大规模。”

他说，为了解决这个问题，他的团队转向使用比石墨烯便宜数千倍的商业产品作为替代支持 - 炭黑。

使用类似于静电吸引的工艺，Wang及其同事能够将单个镍原子（带正电荷）吸收到炭黑纳米粒子中的缺陷（带负电）中，所得到的材料既低成本又对CO 2还原具有高选择性。

“现在，我们生产的最好的产品是克，但以前我们每批只能生产毫克，”王说。“但这仅限于我们拥有的合成设备;如果你有一个更大的油箱，你可以制造千克甚至吨催化剂。”

王和他的同事必须克服的另一个挑战与原始系统仅在液体解决方案中工作的事实有关。

初始系统通过在一个腔室中使用电极将水分子分解成氧和质子来工作。作为氧鼓泡远离，通过液体溶液中进行的质子将移动到第二腔室，其中， -与所述镍催化剂的帮助下-它们将与CO结合2和开打破分子，留下CO和水。然后可以将水反馈回第一个腔室，在那里它将再次被分开，并且该过程将再次开始。

“问题是，在CO 2，我们可以在该系统中减少仅仅是那些溶解在水中;最围绕所述催化剂的分子是水，”他说。“有仅CO痕量2，所以这是非常低效的。”

虽然它可能是诱人的简单地增加施加在催化剂以提高反应速率上的电压，可以具有分解水的意想不到的结果，而不是减少CO 2，王说。

“如果你耗尽CO 2这是靠近电极，其他分子扩散到电极，而这需要时间。”王说。“但如果你增加电压，周围的水更有可能利用这个机会反应并分裂成氢和氧。”

事实证明，解决方案相对简单 - 为了避免分解水，团队将催化剂从解决方案中解脱出来。

“我们取代液态水与水蒸汽，和进料的高浓度CO在2气体，”他说。“因此，如果老系统是超过99％的水和小于1％的CO 2，现在我们可以完全扭转，和泵97％的CO 2气体和只有3％的水蒸汽进入该系统。那些液态水也函数之前作为系统中的离子导体，现在我们使用离子交换膜来帮助离子在没有液态水的情况下四处移动。

“影响是我们可以提供一个数量级更高的电流密度，”他继续道。“以前，我们的平均运行速度大约为10毫安/平方英寸，但今天我们可以轻松升至100毫安。”

王先生说，展望未来，该系统仍有挑战需要克服 - 特别是与稳定性有关。

“如果你想利用它来产生经济或环境影响，它需要持续数千小时的运作，”他说。“现在，我们可以为数十小时做到这一点，所以还是有很大的差距，但我相信这些问题能同时与CO的更详细的分析来解决2还原催化剂与水氧化催化剂”。

最终，王表示，也许有一天，当行业将能够捕捉到CO 2是目前释放到大气中，并将其转换成有用的产品。

“一氧化碳不是一种特别高价值的化学产品，”王说。“为了探索更多的可能性，我的团队还开发了多铜基催化剂，可以进一步减少CO 2成是更有价值的产品。”

他将自己在罗兰学院享有的自由归功于新系统的突破。

“作为一名早期职业研究人员，罗兰为我提供了一个独立研究的伟大平台，该平台启动了我的小组将继续推进的大部分研究方向，”最近接受赖斯大学职位的王说。“我一定会想念我在这里的日子。”