耶鲁大学科学家结合等离子体与电力将二氧化碳转化为可持续航空燃料

耶鲁大学的科学家发展出一种结合等离子体与电力的系统，以将二氧化碳 (CO2) 转化为有价值的化学品，包括甲醇和丁烷。该研究由耶鲁大学化学与环境工程助理教授 Lea Winter 博士主导。Winter 及其团队尝试将等离子体与电催化结合。等离子体通常被称为物质的第四态，繼固体、液体和气体之后。它是一种高能气体，其中电子已从原子中剥离，从而形成带电的粒子。Winter 表示，这种方法可将 CO2 转化为燃料、药品、溶剂及其他来自化石燃料的化学品。

她补充道：“我们用这种方法生成的多碳产品对许多化学行业非常有用。”它还可以生产可持续航空燃料的前驱化学品。

等离子体与电催化的结合

分解 CO2 虽然 CO2 相当丰富，但尚未广泛用于生产有价值的产品。这是因为它是一种高度稳定且惰性的分子，转化为有用物质需要大量能量。电催化是一种前景广阔的解决方案。它利用电力和催化剂来驱动化学反应，将 CO2 转化为其他化合物。然而，单纯的电催化通常只产生相对有限的简单碳产品。耶鲁团队因此考虑将电催化与等离子体结合，后者包含高能电子。这些电子激发 CO2 分子，并在它们到达催化剂之前削弱其键结。

催化剂然后可以利用这些激活的物种形成不同的产品。Winter 指出，等离子体打开了电催化无法单独接触的化学途径。

三相界面的创新解决方案

然而，这些等离子体电化学过程通常依赖水界面，这可能限制其效能。虽然等离子体能激活 CO2 气体，但水可能会在最具反应性的等离子体物种到达催化剂之前，将其熄灭和中和。Winter 补充道：“确定如何有效地将等离子体与催化剂结合，以便我们能够真正看到等离子体的效果，让这些等离子体激发的物种参与催化反应，一直是个挑战。”

克服限制为了解决这个问题，科学家提出了一种三相界面，将气体、液体和固体成分结合在一起。它同时防止等离子体直接与水互动。该系统依赖于气体扩散电极，这是一种由与不粘锅相同类型材料制成的膜。它部分覆盖有一层薄薄的铜，作为电催化剂。其孔洞足够大，允许等离子体粒子通过催化剂层，与水中的质子相遇，并推动化学反应。根据科学家的说法，该方法在生产有价值的醇类和三、四碳原子方面取得了迄今为止最高的产量。

这些产品可用于液体燃料、药品及其他有价值的产品。团队接下来将优化催化剂并实验其他材料。

商业化潜力与应用

该系统还在室温和常压下运行，这可能使其商业化变得更容易。Winter 在一份新闻稿中总结道：“这是一个即开即用的过程。您可以根据电力的可用性随时开启或关闭。它还可以直接与间歇性可再生电力运行，因此我们可以看到现有工厂的改造，这样您就不需要围绕它建造整个新工厂。”该研究已发表在《自然催化》期刊上。

这项技术对可持续能源的影响

耶鲁大学的研究展示了结合等离子体与电催化的潜力，为二氧化碳的转化提供了一种新方法。随着全球对减少碳排放的需求增加，这项技术能有效将CO2转化为可持续航空燃料及其他化学品，对于环保和能源转型具有重要意义。此外，该系统在室温和常压下运行，降低了商业化的技术门槛，可能促进现有工厂的改造，实现更高效的能源利用。