从大气中去除碳的技术不断进步，但一旦碳被捕获，如何处理这些碳的解决方案却很难找到。
莱斯大学材料科学家Pulickel Ajayan及其合作者开发了一种从二氧化碳中提取碳并将其附着在氢原子上的方法，形成甲烷-一种有价值的燃料和工业原料。根据发表在《先进材料》杂志上的研究，该方法依赖于电解和催化剂，这些催化剂是通过在二维聚合物模板上接枝分离的铜原子而开发的。
“电力驱动的二氧化碳转化可以通过不同的途径产生大量的工业燃料和原料，”阿贾扬实验室的研究科学家、该研究的主要作者苏米亚布拉塔·罗伊(Soumyabrata Roy)说。“然而，二氧化碳到甲烷的转化需要八个步骤，这对选择性和节能甲烷生产提出了重大挑战。
“克服这些问题可以帮助在有意义的规模上关闭人工碳循环，而开发高效且价格合理的催化剂是实现这一目标的关键一步。”
这种聚合物模板由碳原子和氮原子交替组成，上面有微小的孔，铜原子可以在孔中以不同的距离相互容纳。催化剂在室温下在水中组装，铜原子取代聚合物模板中的主金属离子。当在反应器中进行测试时，催化剂使电池的一半将二氧化碳还原为甲烷，而另一半则由水产生氧气。
“我们发现调节铜原子之间的距离降低了关键反应步骤所需的能量，从而加快了化学转化，”罗伊说。“附近铜原子的这种协同作用有助于以非常高的选择性和效率产生甲烷。”
Roy和合作者开发的催化剂产生了迄今为止已知的最快速、最有效的基于电解的二氧化碳转化为甲烷的催化剂之一，有助于在基础科学见解和性能水平方面推进转化过程。
辛辛那提大学(University of Cincinnati)化学与环境工程副教授吴敬杰(Jingjie Wu)说:“如果系统级的能源和碳转换效率能够得到解决，像这样廉价高效的材料将有助于催化电化学二氧化碳还原技术的工业转化。”
Ajayan是莱斯大学的Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson工程教授，也是材料科学和纳米工程系的主席，他补充说:“设计和开发新型催化剂是我们面临的能源和可持续性挑战的核心。”
Ajayan说:“单原子分散催化剂在这方面提供了一种令人兴奋的方法。”
吴和多伦多大学材料科学与工程教授钱德拉·维尔·辛格(Chandra Veer Singh)是这项研究的主要贡献者。
该研究得到了美国空军科学研究办公室和克拉克森航空航天公司(FA9550-21-1-0460)、亚历山大·冯·洪堡基金会、玛丽Sk?odowska-Curie奖学金h2020 - mca - if -2019(896637)、马克斯·普朗克学会、巴西国家科学技术发展委员会(405752/2022- 9,403064 /2021-0)和
- 同行评议的论文:
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“协同铜单原子催化剂在二维氮化碳中增强二氧化碳电解成甲烷”|先进材料| DOI: 10.1002/adma.202400713
作者:Soumyabrata Roy，李正元，陈志文，Astrid Campos Mata, Pawan Kumar, Saurav Sarma, Ivo Teixeira, Ingrid Silva, guguanhui Gao, Nadezda Tarakina, Golam Kibria, Chandra Veer Singh, Jingjie Wu和Pulickel Ajayan
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描述:Soumyabrata Roy是莱斯大学材料科学和纳米工程博士后助理研究员，也是该研究的主要作者。(图片来源:Gustavo Raskosky/Rice University)
描述:Pulickel Ajayan是Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工程教授，也是材料科学与纳米工程系的主席。(图片来源:Jeff Fitlow/Rice University)