随着世界努力减少温室气体排放，研究人员正在寻求实用的、生态的捕获二氧化碳和co的常规方法将其转化为有用的产品，如运输燃料，化学原料，甚至建筑材料。但到目前为止，这样的尝试很难达到生态目标的经济可行性。
麻省理工学院工程师的新研究可能会导致各种电化学系统的快速改进，这些系统正在开发中将二氧化碳转化为有价值的商品。该团队为这些系统中使用的电极开发了一种新设计，从而提高了转换过程的效率。
该研究结果将发表在《自然通讯》杂志上，由麻省理工学院博士生西蒙·鲁夫、机械工程教授克里帕·瓦拉纳西和其他三人共同撰写。
瓦拉纳西说：“二氧化碳问题是我们这个时代面临的一个巨大挑战，我们正在使用各种手段来解决和解决这个问题。”他说，必须找到切实可行的方法来去除这些气体，要么从发电厂排放的气体中去除，要么直接从空气或海洋中去除。但是，一旦二氧化碳被移走，它必须去某个地方。
瓦拉纳西说，各种各样的系统已经被开发出来，用于将捕获的气体转化为有用的化学产品。“这并不是说我们做不到——我们可以做到。但问题是我们怎样才能使它更有效率？我们怎样才能使它具有成本效益？”
在这项新研究中，研究小组专注于将二氧化碳电化学转化为乙烯，乙烯是一种广泛使用的化学物质，可以制成各种塑料和燃料，目前主要由石油制成。但研究人员说，他们开发的方法也可以应用于生产其他高价值的化学产品，包括甲烷、甲醇、一氧化碳等。
目前，乙烯的售价约为每吨1000美元，因此我们的目标是能够达到或超过这个价格。将二氧化碳转化为乙烯的电化学过程包括一种水基溶液和一种催化剂材料，它们在一种叫做气体扩散电极的装置中随着电流接触。
气体扩散电极材料有两个相互竞争的特性会影响它们的性能：它们必须是良好的导电体，这样驱动过程的电流就不会因为电阻加热而浪费，但它们也必须是“疏水”的，或者是疏水的，这样水基电解质溶液就不会泄漏，也不会干扰在电极表面发生的反应。
不幸的是，这是一种权衡。导电性的提高降低了疏水性，反之亦然。瓦拉纳西和他的团队开始寻找解决冲突的方法，经过几个月的尝试，他们做到了。
由Rufer和Varanasi设计的解决方案简洁而优雅。他们使用了一种塑料材料，聚四氟乙烯（基本上是特氟龙），这种材料已知具有良好的疏水性。然而，聚四氟乙烯缺乏导电性意味着电子必须穿过非常薄的催化剂层，导致显著的电压随距离下降。为了克服这一限制，研究人员在非常薄的聚四氟乙烯薄片上编织了一系列导电铜线。
瓦拉纳西说：“这项工作真正解决了这一挑战，因为我们现在可以同时获得导电性和疏水性。”
对潜在碳转化系统的研究往往是在非常小的、实验室规模的样品上进行的，通常小于1英寸（2.5厘米）平方。为了证明扩大规模的潜力，瓦拉纳西的团队制作了一个面积大10倍的薄片，并展示了它的有效性能。
为了达到这一点，他们必须做一些以前显然从未做过的基本测试，在相同的条件下运行测试，但使用不同尺寸的电极来分析电导率和电极尺寸之间的关系。他们发现，电导率随着尺寸的增大而急剧下降，这意味着需要更多的能量，从而需要更多的成本来驱动反应。
“这正是我们所期望的，但这是之前没有人真正认真研究过的，”鲁弗说。此外，较大的尺寸除了预期的乙烯外，还会产生更多不需要的化学副产品。
研究人员说，实际工业应用可能需要比实验室版本大100倍的电极，因此增加导电导线将是使这种系统实用的必要条件。他们还开发了一个模型，可以捕捉由于欧姆损耗导致的电压和电极上产品分布的空间变化。该模型以及他们收集的实验数据使他们能够计算出导线的最佳间距，以抵消电导率的下降。
实际上，通过在材料中编织金属丝，材料被分成由金属丝间距决定的更小的部分。“我们把它分成一堆小的子段，每个子段实际上都是一个更小的电极，”Rufer说。“正如我们所看到的，小电极可以很好地工作。”
由于铜线的导电性比聚四氟乙烯材料强得多，它就像一种电子通过的高速公路，在电子被限制在基材内并面临更大电阻的区域之间架起桥梁。
为了证明他们的系统是健壮的，研究人员连续运行了75个小时的测试电极，性能几乎没有变化。总的来说，Rufer说，他们的系统“是第一个超过实验室尺寸5厘米或更小的ptfe电极”。这是第一次在不牺牲效率的情况下进行更大规模的工作。”
他补充说，将金属丝编织的过程可以很容易地集成到现有的制造工艺中，即使是在大规模的卷对卷工艺中。
“我们的方法非常强大，因为它与实际使用的催化剂没有任何关系，”鲁夫说。“你可以把这种微米级的铜线缝到任何你想要的气体扩散电极上，而不受催化剂形态或化学性质的影响。因此，这种方法可以用于缩放任何人的电极。”
瓦拉纳西说：“考虑到我们每年需要处理数十亿吨的二氧化碳来应对二氧化碳的挑战，我们真的需要考虑可扩展的解决方案。”“从这种心态开始，我们就能识别出关键的瓶颈，并开发出能够对解决问题产生有意义影响的创新方法。我们的分层导电电极就是这种想法的结果。”
研究小组包括麻省理工学院的研究生迈克尔·尼采和桑杰·加里米拉，以及23届博士杰克·莱克。这项工作得到了壳牌公司通过麻省理工学院能源倡议的支持。
