莫莉·伯吉斯於2020年3月30日
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多倫多大學應用科學與工程學院的一個團隊開發了一種“反向燃料電池”技術。
傳統上，燃料電池將化學物質轉化為電能，然而，這項新技術通過利用電能從廢棄的二氧化碳中製造有價值的化學物質來實現相反的目的。
“幾十年來，有才華的研究人員一直在開發將電轉換成氫，然後再轉換回來的系統，”電子與計算機工程系的大學教授特德·薩金特說。
“我們的創新建立在這一傳統之上，但通過使用碳基分子，我們可以直接插入現有的碳氫化合物基礎設施。”
博士後研究員約書亞·維克斯說:“乙烯是世界上生產最廣泛的化學物質之一。它被用來製造從防凍劑到草坪傢俱的所有東西。”
“如今，它來自化石燃料，但如果我們能通過升級廢棄的二氧化碳來製造它，它將為捕獲碳提供新的經濟激勵。”
研究人員發現，今天的電解器還沒有大規模生產出足以與化石燃料競爭的乙烯。
因此，部分挑戰在於將二氧化碳轉化為乙烯和其他碳基分子的化學反應的獨特性質。
“反應需要三樣東西:二氧化碳，這是一種氣體；來自液態水的氫離子；和電子，它們是通過金屬催化劑傳輸的，”該小組成員阿德南·奧茲登說。
“快速將這三個不同階段——尤其是二氧化碳——結合在一起是一項挑戰，這也是限制反應速度的原因。”
在最新的電解槽設計中，該團隊使用了獨特的材料排列來克服將反應物聚集在一起的挑戰。
電子是使用團隊先前開發的銅基催化劑來傳送的。但是新電解器中的催化劑不是一片扁平的金屬，而是嵌入一層被稱為Nafion的材料中的小顆粒。
Nafion是一種離聚物——一種能夠傳導離子帶電粒子的聚合物。今天，它通常用於燃料電池，其作用是在反應堆內運輸帶正電的氫離子。
博士後研究員加西亞·德·阿爾克爾說:“在我們的實驗中，我們發現某種形式的Nafion可以促進二氧化碳等氣體的傳輸。”。
“我們的設計能夠使氣體反應物足夠快地到達催化劑表面，並以充分分佈的方式顯著提高反應速率。”
隨著反應不再受三種反應物聚合速度的限制，研究小組將二氧化碳轉化成乙烯和其他產品的速度比以前快了十倍。
該團隊在不降低反應堆整體效率的情況下實現了這一點，這意味著以大致相同的資本成本生產更多的產品。
儘管取得了進步，但該設備在商業上仍有很長的路要走。剩下的挑戰之一是在新的更高電流密度下催化劑的穩定性。
“我們可以以10倍的速度泵入電子，這很好，但是我們只能在催化劑層分解之前運行系統大約10個小時，”皇后大學化學工程教授曹成丁說。
“這仍遠未達到工業應用所需的數千小時的目標。”
Dinh目前正在繼續研究穩定催化劑層的新策略，同時其他團隊成員計劃應對其他挑戰，例如優化催化劑以生產除乙烯以外的其他有商業價值的產品。
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