二氧化碳 (CO2) 是燃烧化石燃料的产物，也是最普遍的温室气体，有可能可持续地转化回有用的燃料。将 CO2排放物转化为燃料原料的一种有前途的途径是称为电化学还原的过程。但要在商业上可行，该过程需要改进，以选择或生产更多数量的所需富碳产品。
现在，正如《自然能源》杂志报道的那样，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员通过开发一种新方法来改进用于辅助反应的铜催化剂的表面，从而提高了该工艺的选择性。
“虽然我们知道铜是该反应的最佳催化剂，但它并没有为所需的产品提供高选择性，”伯克利实验室化学科学部的高级科学家兼加州大学伯克利分校化学工程教授亚历克西斯贝尔说。“我们的团队发现你可以利用催化剂的当地环境做各种技巧来提供这种选择性。”
在之前的研究中，研究人员已经建立了精确的条件，为创造具有商业价值的富碳产品提供了最佳的电气和化学环境。但这些条件与使用水基导电材料的典型燃料电池中自然发生的条件相反。
为了确定可用于燃料电池水环境的设计，作为能源部液态阳光联盟能源创新中心项目的一部分，贝尔和他的团队转向了离聚物的薄层，聚合物允许某些带电分子(离子)通过而排除其他离子。由于其高度选择性的化学性质，它们特别适合对微环境产生强烈影响。
贝尔小组的博士后研究员、论文的第一作者 Chanyeon Kim 提议用两种常见的离聚物 Nafion 和 Sustainion 涂覆铜催化剂的表面。该团队假设，这样做应该会改变催化剂附近的环境——包括 pH 值以及水和 CO2 的数量——以某种方式引导反应生成富含碳的产物，这些产物可以很容易地转化为有用的化学品和液体燃料。
研究人员将每种离聚物的薄层以及两种离聚物的双层应用到由聚合物材料支撑的铜膜上，形成膜，他们可以将其插入到手型电化学电池的一端附近。在将 CO2注入电池并施加电压的同时，他们测量了流经电池的总电流。然后他们测量了在反应过程中收集在相邻水库中的气体和液体。对于两层情况，他们发现富含碳的产物占反应消耗的能量的 80%——高于未涂层情况下的 60%。
“这种夹心涂层提供了两全其美的优点：高产品选择性和高活性，”贝尔说。双层表面不仅有利于富含碳的产物，而且同时产生强电流，表明活性增加。
研究人员得出结论，改进的反应是高 CO2浓度的结果，CO2浓度立即在铜顶部的涂层中积聚。此外，堆积在两种离聚物之间区域的带负电荷的分子会产生较低的局部酸度。这种组合抵消了在没有离聚物薄膜的情况下往往会发生的浓度权衡。
为了进一步提高反应效率，研究人员转向了一种之前已经证明过的技术，无需离聚物薄膜，作为增加 CO2和 pH 值的另一种方法：脉冲电压。通过对双层离聚物涂层使用脉冲电压，与未涂层铜和静态电压相比，研究人员实现了 250% 的富碳产品增加。
虽然一些研究人员将他们的工作重点放在开发新催化剂上，但催化剂的发现并未考虑操作条件。控制催化剂表面的环境是一种新的、不同的方法。
“我们没有想出一种全新的催化剂，而是利用我们对反应动力学的了解，并利用这些知识来指导我们思考如何改变催化剂现场的环境，”高级工程师Adam Weber说。伯克利实验室能源技术领域的科学家和论文的合著者。
下一步是扩大包覆催化剂的生产。伯克利实验室团队的初步实验涉及小型扁平模型系统，与商业应用所需的大面积多孔结构相比，这些系统的工作要简单得多。“在平面上涂上涂层并不难。但商业方法可能涉及涂覆微小的铜球，”贝尔说。添加第二层涂层变得具有挑战性。一种可能性是在溶剂中将两种涂层混合并沉积在一起，并希望它们在溶剂蒸发时分离。如果他们不这样做?贝尔总结道：“我们只需要变得更聪明。”
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。
