氧化铜擅长制备可再生太阳能燃料

他们说，拥有一些特别的东西而丢失了总比没有拥有过要好。谁会想到金属氧化物催化剂的观点如此？劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加州理工学院的科学家表示，曾经与氧气结合的铜比从未与氧气结合的铜更能将二氧化碳转化为可再生燃料。

文章插图
对于他们的研究（现已发表在ACS Catalysis期刊上），科学家对工作中的太阳能发电机原型进行了X射线光谱分析，以证明由氧化铜制成的催化剂在生产乙烯方面优于纯金属的催化剂。碳气体具有广泛的工业应用范围，即使在催化剂中没有可检测到的氧原子之后。
【氧化铜擅长制备可再生太阳能燃料】伯克利实验室化学家，联合中心成员，研究共同负责人沃尔特·德里斯代尔（Walter Drisdell）说：“许多研究人员已经表明，氧化物衍生的铜催化剂更擅长从CO2制备燃料产品。用于人工光合作用（JCAP）。JCAP的任务是开发高效的太阳能技术，将大气中的CO2转化为石油替代燃料。Drisdell和他的同事说，他们的发现是朝着这个目标迈出的重要一步。
他解释说，在产生燃料的运行条件下（首先要将CO2转化为一氧化碳，然后建立烃链），与铜结合的氧自然会耗尽催化剂。但是，一些研究人员认为，金属结构中残留有少量的氧气，这是效率提高的来源。
这些扫描电子显微镜图像显示了铜催化剂在不同阶段的结构。
（a）在进行任何反应之前的催化剂。表面上的立方结构是氧化物的结果。
（b）进行一氧化碳还原化学反应后催化剂的外观如何；所有的氧气都消失了。
（c）有意将氧加回到金属中以恢复催化剂性能的方法后的催化剂。在光滑的铜金属表面顶部的小纳米颗粒中形成了氧化铜。

文章插图
为了解决辩论，该团队将气相色谱（GC）系统引入X射线束线，以便他们可以实时检测乙烯的产生。伯克利实验室的博士后研究员，该研究的第一作者，Soo Hong Lee说：“我们来自加州理工学院的合作者将气相色谱仪从帕萨迪纳一直开车到了帕洛阿尔托的X射线设施。” “有了它，我们证明了催化剂中的氧气（’氧化物’）量与产生的乙烯量之间没有相关性。因此，我们认为源自氧化物的催化剂是好的，而不是因为它们同时保留了氧气它们会还原一氧化碳，但是因为除去氧气的过程会形成金属铜结构，因此更易于形成乙烯。”
研究小组进一步表明，尽管氧化物催化剂的效率会随着时间的推移而下降，但可以在简单的维护过程中通过重新添加和去除氧气来定期“重新活化”它。他们的下一步是设计一种可以与X射线散射仪器一起使用的燃料产生电池，使他们可以直接绘制出催化剂的变化结构，同时将一氧化碳转化为乙烯。
研究团队还包括加州理工学院的Ian Sullivan和Chengxiang Xiang，以及伯克利实验室的David Larson，Guiji Liu和Francesca Toma 。这项工作得到了美国能源部（DOE）科学办公室的支持。JCAP是美国能源部能源创新中心。