新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3%

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3% DGIST 的一个研究小组开发出一种先进的光催化剂，它能有效地将二氧化碳转化为甲烷，有可能为应对全球变暖提供一种可持续的解决方案。来自 DGIST 能源科学与工程系的 In Soo-il 教授及其团队成功开发出一种高效光催化剂。这项创新能够将导致气候变化的重要因素二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4），也就是通常所说的天然气。全球变暖导致世界各地气候异常，威胁着人类的生存。减少温室气体是解决日益令人担忧的全球变暖问题的关键，这需要将大气中的二氧化碳转化为其他物质。光催化技术是一种环保解决方案，它只需利用太阳能和水就能将二氧化碳转化为有用的物质，如天然气。生产出的天然气可在日常生活中用作供暖、制冷系统和车辆的燃料。光催化材料的改进研究小组将吸收可见光和红外线的硒化镉与二氧化钛（一种金属氧化物和著名的光催化材料）结合起来，高效地将二氧化碳转化为天然气。以前，人们曾将具有周期性晶格结构的结晶二氧化钛作为光催化材料进行分析。然而，由于颗粒的规则排列，钛的三价阳离子（Ti3+）的活性位点的形成受到了限制。为了克服这个问题，In 教授的团队使用无定形二氧化钛改进了催化反应，因为无定形二氧化钛可以通过缺乏晶格结构周期性的不规则颗粒排列形成更多的Ti3+活性位点。除了催化作用得到改善外，电荷转移过程也很稳定，可确保有足够的电子参与反应。这有助于将二氧化碳转化为碳化合物，特别是甲烷燃料。此外，与需要高温再生的传统光催化剂不同，无定形催化剂在不加热的情况下向反应器供氧，可在一分钟内再生。高效率和未来研究方向研究小组新开发的无定形二氧化钛-硒化镉光催化剂（TiO2-CdSe）在光反应 18 小时后的前 6 小时内甲烷转化率仍高达 99.3%，是具有相同成分的晶体光催化剂（C-TiO2-CdSe）的 4.22 倍。"这项研究的重要意义在于，我们开发出了一种具有再生活性位点的催化剂，并通过计算化学研究确定了利用非晶态催化剂将二氧化碳转化为甲烷的机理，"DGIST In 教授说。"我们将开展后续研究，以改善无定形光催化剂的能量损失，并提高其长期稳定性，从而实现该技术的未来商业化。"编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124006 ... PC版： 手机版：

太阳光制甲醇：利用铜和氮化碳实现革命性的二氧化碳转化

太阳光制甲醇：利用铜和氮化碳实现革命性的二氧化碳转化 研究人员开发出一种利用铜和纳米氮化碳晶将二氧化碳高效转化为甲醇的阳光动力工艺，标志着向可持续燃料生产和减少二氧化碳迈出了重要一步。上图为测试催化剂将二氧化碳转化为甲醇的反应器。资料来源：诺丁汉大学效率和选择性的挑战在光催化过程中，光线照射到半导体材料上会激发电子，使电子穿过材料与二氧化碳和水发生反应，从而产生各种有用的产品，包括作为绿色燃料的甲醇。尽管最近取得了一些进展，但这一过程仍存在效率和选择性不足的问题。二氧化碳是导致全球变暖的最大因素。虽然可以将二氧化碳转化为有用的产品，但传统的热法依赖于化石燃料中的氢气。利用可持续的太阳能和无处不在的丰富水资源，开发基于光催化和电催化的替代方法非常重要。改进催化的纳米级控制诺丁汉大学化学学院研究员马达萨米-坦加穆图（Madasamy Thangamuthu）博士是研究小组的共同负责人："光催化使用的材料种类繁多。光催化剂吸收光并高效分离电荷载流子非常重要。在我们的方法中，我们在纳米尺度上控制材料。我们开发了一种新形式的氮化碳，它具有结晶纳米级畴，能够与光进行高效互动，并实现充分的电荷分离。光将二氧化碳转化为甲醇（燃料）的过程。资料来源：诺丁汉大学研究人员设计了一种将氮化碳加热到所需结晶度的工艺，最大限度地提高了这种材料在光催化方面的功能特性。利用磁控溅射技术，他们在无溶剂过程中沉积了原子铜，使半导体和金属原子得以亲密接触。令人惊喜的效率提升在诺丁汉大学化学学院开展实验工作的博士生塔拉-勒梅尔（Tara LeMercier）说："我们测量了光产生的电流，并以此作为判断催化剂质量的标准。即使不加铜，新型氮化碳的活性也比传统氮化碳高 44 倍。然而，出乎我们意料的是，每 1 克氮化碳中只需添加 1 毫克铜，效率就提高了四倍。最重要的是，选择性从甲烷（另一种温室气体）变成了甲醇（一种宝贵的绿色燃料）"。诺丁汉大学化学学院的 Andrei Khlobystov 教授说："二氧化碳价值化是英国实现净零排放目标的关键。确保我们用于这一重要反应的催化剂材料的可持续性至关重要。这种新型催化剂的一大优势在于它由可持续元素组成碳、氮和铜这些元素在我们的星球上都非常丰富。"本发明是深入了解二氧化碳转化过程中光催化材料的重要一步。它开辟了一条创造高选择性和可调整催化剂的途径，通过在纳米尺度上控制催化剂，可以调高所需的产物。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

将二氧化碳转化为有价值产品的电化学催化技术现已有能力抵御杂质的毒害

将二氧化碳转化为有价值产品的电化学催化技术现已有能力抵御杂质的毒害 将二氧化碳转化为有价值产品的电化学催化剂可以抵御毒害当前版本的杂质。一种新型催化剂可提高捕获的碳向商业产品的转化率，尽管存在氧化硫杂质，但仍能保持高效率。这项创新可大幅降低碳捕集技术的成本和能源需求，对重工业产生影响。多伦多大学工程系研究人员新设计的催化剂能将捕获的碳有效地转化为有价值的产品，即使在有污染物存在的情况下，现有催化剂的性能也会下降。这一发现是向更经济的碳捕集与封存技术迈出的重要一步，这种技术可以添加到现有的工业流程中。7 月 4 日发表在《自然-能源》（Nature Energy）上的一篇论文的资深作者大卫-辛顿（David Sinton）教授说："今天，我们比以往任何时候都有更多更好的低碳发电选择。但还有一些经济部门将更难实现脱碳：例如钢铁和水泥制造业。为了帮助这些行业，我们需要发明具有成本效益的方法，以捕获和提升其废物流中的碳。"多伦多大学工程系博士生 Rui Kai (Ray) Miao（左）和 Panos Papangelakis（右）举起他们设计的新型催化剂，这种催化剂可将捕获的二氧化碳气体转化为有价值的产品。他们的催化剂即使在二氧化硫（一种会毒害其他催化剂的污染物）存在的情况下也能表现出色。图片来源：Tyler Irving / 多伦多大学工程系辛顿和他的团队使用被称为电解器的设备，将二氧化碳和电能转化为乙烯和乙醇等产品。这些碳基分子可以作为燃料出售，也可以作为化学原料用于制造塑料等日常用品。在电解槽内，当二氧化碳气体、电子和水基液体电解质这三种元素在固体催化剂表面聚集在一起时，就会发生转换反应。催化剂通常由铜制成，但也可能含有其他金属或有机化合物，从而进一步改善系统。催化剂的作用是加快反应速度，最大限度地减少氢气等不良副产品的产生，因为这些副产品会降低整个工艺的效率。虽然世界上许多团队都生产出了高性能催化剂，但几乎所有催化剂都是针对纯二氧化碳进料而设计的。但是，如果所涉及的碳来自烟囱，那么进料很可能不是纯净的。机械工程专业博士生、新论文的五位共同第一作者之一 Panos Papangelakis 说："催化剂设计师通常不喜欢处理杂质，这是有道理的。硫氧化物（如二氧化硫）会与催化剂表面结合，从而毒害催化剂。这就减少了二氧化碳发生反应的位置，而且还会形成你不想要的化学物质。这种情况发生得非常快：有些催化剂在纯进料的情况下可以持续数百小时，而如果引入这些杂质，在几分钟内它们的效率就会下降到 5%。"虽然有一些成熟的方法可以在将富含二氧化碳的废气送入电解槽之前去除其中的杂质，但这些方法耗时、耗能，而且会提高碳捕集与升级的成本。此外，就二氧化硫而言，即使是一点点也会造成很大问题。Papangelakis 说："即使将废气浓度降至百万分之 10 以下，即进料的 0.001%，催化剂仍会在 2 小时内被毒化。"在论文中，研究小组介绍了他们如何通过对典型的铜基催化剂进行两项关键改动，设计出一种能抵御二氧化硫的弹性更强的催化剂。在催化剂的一侧，他们添加了一层薄薄的聚四氟乙烯（又称特氟龙）。这种不粘材料会改变催化剂表面的化学性质，阻碍二氧化硫中毒反应的发生。在另一侧，他们添加了一层 Nafion，这是一种经常用于燃料电池的导电聚合物。这种复杂的多孔材料包含一些亲水区域，即吸水区域，以及其他疏水区域，即拒水区域。这种结构使得二氧化硫很难到达催化剂表面。研究小组随后向这种催化剂中加入了二氧化碳和二氧化硫的混合物，后者的浓度约为百万分之 400，是典型的工业废物流。即使在如此苛刻的条件下，新型催化剂仍然表现出色。Papangelakis 说："在论文中，我们报告的法拉第效率（一种衡量有多少电子最终进入所需产品的方法）为 50%，我们能够将这一效率保持 150 小时。有些催化剂开始时的效率可能较高，可能达到 75% 或 80%。但同样，如果把它们暴露在二氧化硫中，在几分钟或最多几个小时内，效率就会降到几乎为零。我们能够抵御这种情况。"由于他的团队的方法不会影响催化剂本身的成分，因此可以广泛应用。换句话说，已经完善了高性能催化剂的团队应该能够使用类似的涂层来抵抗氧化硫的毒害。虽然硫氧化物是典型废物流中最具挑战性的杂质，但它们并不是唯一的杂质，团队接下来要研究的是全套化学污染物。Papangelakis说："还有很多其他杂质需要考虑，如氮氧化物、氧气等。但是，这种方法对硫氧化物的效果如此之好，是非常有希望的。在这项工作之前，人们只是想当然地认为，在对二氧化碳进行升级之前，必须先去除杂质。我们所展示的是，可能有一种不同的方法来处理它们，这开辟了许多新的可能性"。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

碳的炼金术：麻省理工学院设计出革命性的二氧化碳转化技术

碳的炼金术：麻省理工学院设计出革命性的二氧化碳转化技术 如果将这一工艺扩大到工业用途，将有助于从发电厂和其他来源清除二氧化碳，从而减少排放到大气中的温室气体数量。麻省理工学院的化学工程师们证明，通过使用 DNA 将催化剂（蓝色圆圈）拴在电极上，可以使二氧化碳转化为一氧化碳的效率大大提高。图片来源：麻省理工学院 Christine Daniloff革命性的脱碳技术"这将能够从排放物或溶解在海洋中的二氧化碳中提取二氧化碳，并将其转化为有利可图的化学品。"保罗-库克（Paul M. Cook）化学工程职业发展助理教授、该研究的资深作者阿里尔-弗斯特（Ariel Furst）说："这确实是一条脱碳之路，因为我们可以把二氧化碳这种温室气体转化为对化学生产有用的东西。"这种新方法利用电力进行化学转换，催化剂通过 DNA 链系在电极表面。DNA 就像尼龙搭扣一样，将所有反应成分紧紧粘在一起，使反应比所有成分都漂浮在溶液中更有效率。Furst 创办了一家名为 Helix Carbon 的公司，以进一步开发这项技术。麻省理工学院前博士后 Gang Fan 是这篇论文的第一作者，论文发表在《美国化学学会学报》（Journal of the American Chemical Society Au）上。其他作者包括：21 岁的 Nathan Corbin 博士、23 岁的 Minju Chung 博士、麻省理工学院前博士后 Thomas Gill 和 Amruta Karbelkar 以及 23 岁的 Evan Moore。分解二氧化碳要将二氧化碳转化为有用的产品，首先需要将其转化为一氧化碳。其中一种方法是用电，但这种电催化所需的能量过于昂贵。为了降低成本，研究人员尝试使用电催化剂，这种催化剂可以加快反应速度，减少系统所需的能量。用于该反应的一种催化剂是一类被称为卟啉的分子，这种分子含有铁或钴等金属，结构类似于血液中携带氧气的血红素分子。在这种电化学反应中，二氧化碳溶解在电化学装置内的水中，该装置包含一个驱动反应的电极。催化剂也悬浮在溶液中。然而，这种装置的效率并不高，因为二氧化碳和催化剂需要在电极表面相遇，而这种情况并不常见。为了使反应更频繁地发生，从而提高电化学转换的效率，Furst 开始研究如何将催化剂附着在电极表面。DNA 似乎是这种应用的理想选择。她说："DNA 的成本相对较低，你可以用化学方法对其进行修饰，并且可以通过改变序列来控制两条链之间的相互作用。它就像一种序列特异的魔术贴，具有非常强但可逆的相互作用，你可以对其进行控制。"为了将单股 DNA 连接到碳电极上，研究人员使用了两个"化学手柄"，一个在 DNA 上，另一个在电极上。这些"化学手柄"可以折叠在一起，形成永久性的结合。然后将互补的 DNA 序列连接到卟啉催化剂上，这样当催化剂加入溶液中时，它就会可逆地与已经连接到电极上的 DNA 结合就像魔术贴一样。系统建立后，研究人员向电极施加电势（或偏压），催化剂利用这种能量将溶液中的二氧化碳转化为一氧化碳。反应还能从水中产生少量氢气。催化剂磨损后，可以通过加热系统来破坏两条 DNA 链之间的可逆键，从而将其从表面释放出来，并用新的催化剂取而代之。突破性的电化学转换利用这种方法，研究人员能够将反应的法拉第效率提高到 100%，这意味着进入系统的所有电能都直接进入化学反应，没有能量浪费。而当催化剂没有被DNA拴住时，法拉第效率只有40%左右。Furst 说，这项技术可以很容易地扩大到工业用途，因为研究人员使用的碳电极比传统金属电极便宜得多。催化剂也很便宜，因为它们不含任何贵金属，而且电极表面只需要少量的催化剂。通过更换不同的催化剂，研究人员计划尝试用这种方法制造甲醇和乙醇等其他产品。由 Furst 创办的 Helix Carbon 公司也在致力于进一步开发该技术，以实现潜在的商业用途。 ... PC版： 手机版：

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料 锅炉的效率通常很高。因此，仅靠提高燃烧效率很难减少二氧化碳排放。因此，研究人员正在探索其他方法，以减轻锅炉排放的二氧化碳对环境的影响。为此，一个很有前景的策略是捕获这些系统排放的二氧化碳，并将其转化为有用的产品，如甲烷。要实施这一战略，需要一种特殊类型的膜反应器，即分配器型膜反应器（DMR），它既能促进化学反应，又能分离气体。虽然 DMR 已在某些行业中使用，但其在将二氧化碳转化为甲烷方面的应用，尤其是在锅炉等小型系统中的应用，仍相对较少。由日本芝浦工业大学的野村干弘教授和波兰 AGH 科技大学的 Grzegorz Brus 教授领导的一组日本和波兰研究人员填补了这一研究空白。他们的研究成果最近发表在《二氧化碳利用期刊》上。来自日本和波兰的研究人员开发出一种反应堆设计，可有效捕捉二氧化碳排放并将其转化为可用的甲烷燃料。这一突破可大幅减少温室气体排放，为实现碳中和的未来铺平道路。资料来源：日本 SIT 的野村干弘教授研究小组双管齐下，通过数值模拟和实验研究来优化反应器设计，以便将小型锅炉中的二氧化碳高效转化为甲烷。在模拟过程中，研究小组模拟了气体在不同条件下的流动和反应。这反过来又使他们能够最大限度地减少温度变化，确保在甲烷生产保持可靠的同时优化能源消耗。研究小组还发现，与将气体导入单一位置的传统方法不同，分布式进料设计可以将气体分散到反应器中，而不是从一个地方送入。这反过来又能使二氧化碳更好地分布在整个膜中，防止任何位置过热。野村教授解释说："与传统的填料床反应器相比，这种 DMR 设计帮助我们将温度增量降低了约 300 度。"除了分布式进料设计，研究人员还探索了影响反应器效率的其他因素，并发现一个关键变量是混合物中的二氧化碳浓度。改变混合物中的二氧化碳含量会影响反应的效果。"当二氧化碳浓度为 15%左右（与锅炉中的二氧化碳浓度相似）时，反应器生产甲烷的效果要好得多。事实上，与只有纯二氧化碳的普通反应器相比，它能多产生约 1.5 倍的甲烷，"野村教授强调说。此外，研究小组还研究了反应器尺寸的影响，发现增大反应器尺寸有助于为反应提供氢气。不过，需要考虑一个折衷的问题，因为提高氢气可用性的好处需要谨慎的温度管理，以避免过热。因此，这项研究为解决温室气体排放的主要来源问题提供了一个前景广阔的解决方案。通过利用 DMR，可以成功地将低浓度二氧化碳排放转化为可用的甲烷燃料。由此获得的益处不仅限于甲烷化，还可应用于其他反应，从而使这种方法成为高效利用二氧化碳的多功能工具，甚至适用于家庭和小型工厂。这项研究得到了波兰国家机构、克拉科夫 AGH 大学和日本科学促进会的资助。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

用糖制成的廉价催化剂具有消灭甚至再利用二氧化碳的能力

用糖制成的廉价催化剂具有消灭甚至再利用二氧化碳的能力 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 随着碳捕集技术的最新进展，燃烧后碳捕集正在成为帮助解决全球气候变化危机的一个可行方案。但如何处理捕获的碳仍然是一个悬而未决的问题。新型催化剂有可能提供一种解决方案，通过将其转化为更有价值的产品来处理这种强效温室气体。这项研究将发表在 5 月 3 日出版的《科学》杂志上。这项研究的共同负责人、西北大学的 Milad Khoshooei 说："即使我们现在停止排放二氧化碳，由于过去几个世纪的工业活动，我们大气中的二氧化碳仍然会过剩。这个问题没有单一的解决方案。我们需要减少二氧化碳的排放，并寻找新的方法来降低大气中已经存在的二氧化碳浓度。我们应该利用所有可能的解决方案。"该示意图显示了制造催化剂并用其转化二氧化碳的全过程。资料来源：Milad Khoshooei"我们不是第一个将二氧化碳转化为另一种产品的研究小组，"该研究的资深作者、西北大学的 Omar K. Farha 说。"然而，要使这一工艺真正实用，催化剂必须满足几个关键标准：经济性、稳定性、易生产性和可扩展性。平衡这四个要素是关键。幸运的是，我们的材料在满足这些要求方面表现出色"。法尔哈是碳捕集技术方面的专家，现任西北大学温伯格文理学院查尔斯-莫里森（Charles E. and Emma H. Morrison）化学教授。Khoshooei 在加拿大卡尔加里大学攻读博士学位时开始这项工作，现在是 Farha 实验室的博士后研究员。新型催化剂背后的秘密是碳化钼，这是一种硬度极高的陶瓷材料。与许多其他需要昂贵金属（如铂或钯）的催化剂不同，钼是一种廉价、非贵重、地球上富集的金属。要将钼转化为碳化钼，科学家们需要一种碳源。他们在一个意想不到的地方发现了廉价的选择：储藏室。令人惊讶的是，糖几乎家家户户都有的白色颗粒状糖成为了一种廉价、方便的碳原子来源。Khoshooei 说："在我尝试合成这些材料的每一天，我都会从家里带糖到实验室。与催化剂常用的其他类材料相比，我们的材料价格低廉得令人难以置信"。在测试催化剂时，Farha、Khoshooei 和他们的合作者对催化剂的成功留下了深刻印象。催化剂在环境压力和高温（300-600摄氏度）条件下工作，以 100% 的选择性将CO2转化为 CO。高选择性意味着催化剂只对二氧化碳起作用，而不会破坏周围的材料。换句话说，工业界可以将催化剂用于大量捕集气体，并选择性地只针对二氧化碳。此外，催化剂还具有长期稳定性，即保持活性，不会降解。法尔哈说："在化学中，催化剂在几个小时后失去选择性并不罕见。但是，在苛刻的条件下使用 500 小时后，其选择性并没有改变。"这一点尤其引人注目，因为二氧化碳是一种稳定而顽固的分子。"转化二氧化碳并不容易，"Khoshooei 说。"二氧化碳是一种化学性质稳定的分子，我们必须克服这种稳定性，而这需要大量的能量。"开发碳捕集材料是法尔哈实验室的主要工作。他的研究小组开发的金属有机框架（MOFs）是一类高孔隙率的纳米级材料，法尔哈将其比喻为"精密且可编程的洗浴绵"。法尔哈探索 MOFs 的各种应用，包括直接 从空气中提取二氧化碳。现在，法尔哈说，MOFs 和这种新型催化剂可以共同在碳捕集与封存中发挥作用。法尔哈说："在某些时候，我们可以使用 MOF 捕获二氧化碳，然后再使用催化剂将其转化为更有益的物质。利用两种不同材料进行两个连续步骤的串联系统可能是未来的发展方向"。"这可以帮助我们回答'如何处理捕获的二氧化碳'这一问题"。Khoshooei 补充道。"目前的计划是将其封存在地下。但地下水库必须满足许多要求，才能安全、永久地储存二氧化碳。我们希望设计一种更通用的解决方案，可以在任何地方使用，同时增加经济价值。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：