莫莉·伯吉斯于2020年3月30日
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多伦多大学应用科学与工程学院的一个团队开发了一种“反向燃料电池”技术。
传统上，燃料电池将化学物质转化为电能，然而，这项新技术通过利用电能从废弃的二氧化碳中制造有价值的化学物质来实现相反的目的。
“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，”电子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。”
博士后研究员约书亚·维克斯说:“乙烯是世界上生产最广泛的化学物质之一。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。”
研究人员发现，今天的电解器还没有大规模生产出足以与化石燃料竞争的乙烯。
因此，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:二氧化碳，这是一种气体；来自液态水的氢离子；和电子，它们是通过金属催化剂传输的，”该小组成员阿德南·奥兹登说。
“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。”
在最新的电解槽设计中，该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。但是新电解器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。
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。
博士后研究员加西亚·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，研究小组将二氧化碳转化成乙烯和其他产品的速度比以前快了十倍。
该团队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，但该设备在商业上仍有很长的路要走。剩下的挑战之一是在新的更高电流密度下催化剂的稳定性。
“我们可以以10倍的速度泵入电子，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，”皇后大学化学工程教授曹成丁说。
“这仍远未达到工业应用所需的数千小时的目标。”
Dinh目前正在继续研究稳定催化剂层的新策略，同时其他团队成员计划应对其他挑战，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。
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