耶魯大學科學家結合等離子體與電力將二氧化碳轉化為可持續航空燃料

耶魯大學的科學家發展出一種結合等離子體與電力的系統，以將二氧化碳 (CO2) 轉化為有價值的化學品，包括甲醇和丁烷。該研究由耶魯大學化學與環境工程助理教授 Lea Winter 博士主導。Winter 及其團隊嘗試將等離子體與電催化結合。等離子體通常被稱為物質的第四態，繼固體、液體和氣體之後。它是一種高能氣體，其中電子已從原子中剝離，從而形成帶電的粒子。Winter 表示，這種方法可將 CO2 轉化為燃料、藥品、溶劑及其他來自化石燃料的化學品。

她補充道：「我們用這種方法生成的多碳產品對許多化學行業非常有用。」它還可以生產可持續航空燃料的前驅化學品。

等離子體與電催化的結合

分解 CO2 雖然 CO2 相當豐富，但尚未廣泛用於生產有價值的產品。這是因為它是一種高度穩定且惰性的分子，轉化為有用物質需要大量能量。電催化是一種有前景的解決方案。它利用電力和催化劑來驅動化學反應，將 CO2 轉化為其他化合物。然而，單純的電催化通常只產生相對有限的簡單碳產品。耶魯團隊因此考慮將電催化與等離子體結合，後者包含高能電子。這些電子激發 CO2 分子，並在它們到達催化劑之前削弱其鍵結。

催化劑然後可以利用這些激活的物種形成不同的產品。Winter 指出，等離子體打開了電催化無法單獨接觸的化學途徑。

三相介面的創新解決方案

然而，這些等離子體電化學過程通常依賴水介面，這可能限制其效能。雖然等離子體能激活 CO2 氣體，但水可能會在最具反應性的等離子體物種到達催化劑之前，將其熄滅和中和。Winter 補充道：「確定如何有效地將等離子體與催化劑結合，以便我們能夠真正看到等離子體的效果，讓這些等離子體激發的物種參與催化反應，一直是個挑戰。」

克服限制為瞭解決這個問題，科學家提出了一種三相介面，將氣體、液體和固體成分結合在一起。它同時防止等離子體直接與水互動。該系統依賴於氣體擴散電極，這是一種由與不粘鍋相同類型材料製成的膜。它部分覆蓋有一層薄薄的銅，作為電催化劑。其孔洞足夠大，允許等離子體粒子通過催化劑層，與水中的質子相遇，並推動化學反應。根據科學家的說法，該方法在生產有價值的醇類和三、四碳原子方面取得了迄今為止最高的產量。

這些產品可用於液體燃料、藥品及其他有價值的產品。團隊接下來將優化催化劑並實驗其他材料。

商業化潛力與應用

該系統還在室溫和常壓下運行，這可能使其商業化變得更容易。Winter 在一份新聞稿中總結道：「這是一個即開即用的過程。您可以根據電力的可用性隨時開啟或關閉。它還可以直接與間歇性可再生電力運行，因此我們可以看到現有工廠的改造，這樣您就不需要圍繞它建造整個新工廠。」該研究已發表在《自然催化》期刊上。

這項技術對可持續能源的影響

耶魯大學的研究展示了結合等離子體與電催化的潛力，為二氧化碳的轉化提供了一種新方法。隨著全球對減少碳排放的需求增加，這項技術能有效將CO2轉化為可持續航空燃料及其他化學品，對於環保和能源轉型具有重要意義。此外，該系統在室溫和常壓下運行，降低了商業化的技術門檻，可能促進現有工廠的改造，實現更高效的能源利用。