莱斯反应器将温室气体转化为纯液体燃料 环保有效

盖世汽车讯 研究人员通过可再生电力驱动电解槽生产纯液体燃料，以环保有效的方式再利用温室气体。据外媒报道，莱斯大学化学与生物分子工程师Haotian Wang实验团队开发的催化反应器，以二氧化碳为原料，生产高度纯化和高浓度甲酸，可作为燃料电池燃料，用来提供电力，所排放的二氧化碳可以再次回收利用。

Wang说，用传统的二氧化碳装置生产甲酸，其净化过程成本昂贵且耗能高。直接生产纯甲酸溶液，可推动二氧化碳转化技术的商业化。

Wang的团队致力于研发新技术，将温室气体转化为有用产品。在实验过程中，新型电催化剂的能量转换率达到42%左右，这意味着近一半的电能以液态燃料的形式储存在甲酸中。

他说:“它也是化学工程行业的基础。作为其他化学品的原料，以及氢气的储存材料，甲酸能够容纳的能量，几乎是同等体积氢气1000倍。而且，氢气很难压缩，这是目前氢燃料电池汽车面临的一大挑战。”

莱斯大学博士后研究员Chuan Xia说，他们在两方面取得进展，促进新设备的研发。第一是他开发出坚固的二维铋催化剂，第二是固态电解质，在反应过程中不需要盐。

“与铜、铁或钴等过渡金属相比，铋是一种非常重的原子。”Wang 说，“它的迁移率很低，尤其是在反应条件下，这样就可以使催化剂处于稳定状态。”另外，他指出，反应器的构造可以防止水接触催化剂，有助于保护催化剂。

这种纳米材料可以通过新方法批量生产。Xia说：“目前，人们生产的催化剂是按毫克或克计的。采用我们开发的方法，可以使产量增加至千克以上，更容易应用至工业领域。”

该固体电解质以聚合物为基础，外面覆以磺酸配体进行正电荷传导，或覆以氨基官能团传导负离子。Wang说:“在盐水等传统液体电解质中，人们通常会减少二氧化碳。但是，纯水电解质的电阻太大，影响导电。添加氯化钠或碳酸氢钾等盐类后，离子才能在水中自由移动。”

“然而，用这种方法产生的甲酸，会和盐混合。”他说，“在大多数应用中，你必须从最终产品中除去盐，这样做会提高能耗和成本。因此，我们使用固体电解质来传导质子，这种电解质可以用不溶性聚合物或无机化合物制造，不需要盐。”

水流经过产物室的速度决定了溶液浓度。在当前设置下，水的流速较慢，根据重量计算，能够产生约为30%的甲酸溶液可以通过调整流速来改变浓度。研究人员希望，下一代反应器的产物浓度更高，而且允许气体流动，能够产生纯甲酸蒸汽。

莱斯实验室与布鲁克海文国家实验室合作观察这一过程。“X射线吸收光谱是一种强大的技术，可在布鲁克海文实验室国家同步加速器光源II的内壳光谱（ISS）波束线上获取。我们可以在操作过程中（即实际的化学过程中）探测电催化剂的电子结构。”该研究的合著者之一、国际空间站首席束线科学家Eli Stavitski表示，“在这项研究中，我们跟踪铋在不同电位下的氧化状态，并且能够鉴别催化剂在二氧化碳还原过程中的活性状态。”

该实验室利用现有反应器，能够连续100小时生产甲酸，反应器组分（包括纳米级催化剂）的降解忽略不计。Wang表示，该反应器还可以进行改良，用以生产诸如乙酸、乙醇或丙醇等高价值产品。

Wang表示：“总的来说，对于改善全球变暖以及绿色化学合成，减少二氧化碳排放都是非常重要的。如果利用太阳或风能等可再生资源产生的电力，我们就可以创造一个循环过程，在不增加二氧化碳排放的情况下，将二氧化碳转化为某种重要的东西。”