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信息:科学家尝试将二氧化碳光还原为可运输的燃料

2022-06-13 09:31:37 cnBeta.COM
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对许多人来说,电动汽车是一个有吸引力的选择,其中一个关键原因是它们没有碳排放。然而,对许多人来说,一个很大的缺点是它们缺乏续航能力和充电时间长。这就是汽油等液体燃料的巨大优势所在。它们的高能量密度意味着较长的续航能力,而且加油速度也很快。

从汽油或柴油转向不同的液体燃料可以消除碳排放,同时保留液体燃料的优势。例如,在燃料电池中,甲酸可以为发动机提供动力,同时释放出水和二氧化碳。然而,如果甲酸是通过将大气中的二氧化碳还原成甲酸而产生的,唯一的净输出是水。

我们大气层中不断增加的二氧化碳浓度及其对全球变暖的贡献现在已成为常见的新闻。随着研究人员尝试不同的方法来解决这个问题,一个有效的解决方案已经出现--将大气中多余的二氧化碳转化为富含能量的化学品。

通过在阳光下对二氧化碳进行光还原来生产像甲酸这样的燃料,最近吸引了很多人的注意,因为从这个过程中可以获得双重好处:它可以减少多余的二氧化碳排放,同时也有助于将我们目前面临的能源短缺问题降到最低。作为一种具有高能量密度的优秀氢气载体,甲酸可以通过燃烧提供能量,同时只释放出水作为副产品。

为了将这一有利可图的解决方案变为现实,科学家们开发了光催化系统,可以在阳光的帮助下减少二氧化碳。这样的系统由一个吸光基质(即光敏剂)和一个催化剂组成,该催化剂可以实现将二氧化碳还原成氢氧根所需的多电子转移。由此开始了寻找合适的、高效的催化剂的工作。

固体催化剂被认为是这项任务的最佳候选者,因为它们的效率和潜在的可回收性,多年来,许多钴、锰、镍和铁基金属有机框架(MOFs)的催化能力已经被探索出来,后者比其他金属有一些优势。然而,迄今为止报道的大多数铁基催化剂只产生一氧化碳作为主要产品,而不是氢氧化钠。

然而,这个问题很快就被 Kazuhiko Maeda教授领导的东京理科大学的一个研究小组解决了。在最近发表在化学杂志《Angewandte Chemie》上的一项研究中,该团队提出了一种氧化铝支持的铁基催化剂,该催化剂使用了α-FeOOH。新的α-FeOOH/氧化铝催化剂显示出卓越的二氧化碳到氢氧化铝的转化性能,同时具有出色的可回收性。当被问及他们对催化剂的选择时, Maeda教授说:“我们想探索更丰富的元素作为二氧化碳光还原系统的催化剂。我们需要一种具有活性、可回收、无毒和廉价的固体催化剂,这就是我们选择像针铁矿这样广泛存在的土壤矿物来进行实验的原因。”

该团队采用了一种简单的浸渍方法来合成他们的催化剂。然后他们在室温下,在钌基(Ru)光敏剂、电子供体和波长超过400纳米的可见光的存在下,使用铁负载的氧化铝材料对二氧化碳进行光催化还原。

结果相当令人鼓舞;他们的系统对主要产品甲酸显示出80-90%的选择性,量子产率为4.3%(这表明该系统的效率)。

这项研究提出了一种首创的铁基固体催化剂,当与有效的光敏剂一起使用时,可以生成氢氧化铝。它还探讨了适当的支持材料(氧化铝)的重要性及其对光化学还原反应的影响。

(资料图片)

这项研究的见解可能有助于开发不含贵金属的新催化剂,用于将二氧化碳光解为其他有用的化学品。“我们的研究表明,通往更绿色的能源经济的道路不一定是复杂的。”Maeda教授总结说:“即使采用简单的催化剂制备方法,也能取得很好的效果,众所周知的、富含地球的化合物可以作为二氧化碳还原的选择性催化剂,如果它们得到氧化铝等化合物的支持。”

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