燃料电池将化学物质转化为电能。现在，多伦多大学应用科学与工程学院的一个团队已经采用了燃料电池技术来做相反的事情:利用电力从废弃的二氧化碳中制造有价值的化学物质。
这项研究最近发表在《科学》杂志上。
“几十年来，有才华的研究人员一直在开发将电转换成氢，然后再转换回来的系统，”该论文的资深作者之一、老爱德华·罗杰斯电气与计算机工程系的大学教授特德·萨金特说。
“我们的创新建立在这一传统之上，但通过使用碳基分子，我们可以直接插入现有的碳氢化合物基础设施。”
在氢燃料电池中，氢和氧在催化剂表面结合在一起。化学反应释放出电子，这些电子被燃料电池中的特殊材料捕获，并被泵入电路。
燃料电池的反面是电解器，它用电来驱动化学反应。这篇论文的作者是设计能将二氧化碳转化为其他碳基分子(如乙烯)的电解槽的专家。该团队包括机械与工业工程系大卫·辛顿教授指导的博士候选人阿德南·奥兹登，以及萨金特团队的几名成员，包括博士候选人约书亚·维克斯、博士后研究员弗·佩拉约·加西亚·德·阿尔克尔和前博士后研究员曹-唐丁。
“乙烯是世界上生产最广泛的化学品之一，”维克斯说。“它被用来制造从防冻剂到草坪家具的所有东西。如今，它来自化石燃料，但如果我们能通过升级废弃的二氧化碳来制造它，它将为捕获碳提供新的经济激励。”
今天的电解槽还没有生产出足够大规模的乙烯来与来自化石燃料的乙烯竞争。部分挑战在于将二氧化碳转化为乙烯和其他碳基分子的化学反应的独特性质。
“反应需要三样东西:CO2，它是一种气体；来自液态水的氢离子；和电子，它们通过金属催化剂传输。“快速将这三个不同阶段——尤其是二氧化碳——结合在一起是一项挑战，这也是限制反应速度的原因。”
在他们最新的电解器设计中，团队使用了独特的材料排列来克服将反应物聚集在一起的挑战。电子是使用团队先前开发的铜基催化剂来传送的。但是，新电解槽中的催化剂不是一片扁平的金属，而是嵌入一层被称为Nafion的材料中的小颗粒。
在改进的电解槽中，反应发生在一个薄层中，该薄层结合了铜基催化剂和一种离子传导聚合物Nafion。这些材料的独特排列提供了比以前的设计高10倍的反应速度
Nafion是一种离聚物——一种能够传导离子带电粒子的聚合物。今天，它通常用于燃料电池，其作用是在反应堆内运输带正电的氢离子。
加西亚·德·阿尔克尔说:“在我们的实验中，我们发现某种形式的Nafion可以促进二氧化碳等气体的传输。”。“我们的设计能够使气体反应物足够快地到达催化剂表面，并以充分分布的方式显著提高反应速率。”
随着反应不再受三种反应物聚合速度的限制，该团队能够将二氧化碳转化为乙烯和其他产品的速度比以前快10倍。他们在不降低反应堆整体效率的情况下实现了这一点，这意味着以大致相同的资本成本生产更多的产品。
尽管取得了进步，该设备离商业可行性还有很长的路要走。剩下的主要挑战之一是在新的更高电流密度下催化剂的稳定性。
“我们可以将电子泵入的速度提高10倍，这很好，但是我们只能在催化剂层分解之前运行系统大约10个小时，”Dinh说。“这仍远未达到工业应用所需的数千小时的目标。”
丁恩现在是皇后大学的化学工程教授，他正在继续研究稳定催化剂层的新策略，例如进一步改变Nafion的化学结构或增加额外的层来保护它。
其他团队成员计划应对不同的挑战，例如优化催化剂以生产除乙烯以外的其他有商业价值的产品。
“我们选择了乙烯作为例子，但是这里的原理可以应用于其他有价值的化学物质的合成，包括乙醇，”维克斯说。"除了许多工业用途外，乙醇也被广泛用作燃料."
以碳中和的方式生产燃料、建筑材料和其他产品的能力是减少我们对化石燃料依赖的重要一步。
“即使我们停止使用石油作为能源，我们仍然需要所有这些分子，”加西亚·德·阿尔克尔说。“如果我们能利用废弃的二氧化碳和可再生能源生产它们，我们就能对经济脱碳产生重大影响。”
这项研究得到了安大略研究基金会、卓越研究计划和加拿大自然科学和工程研究委员会等机构的支持。
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