Электрохимическое восстановление углекислого газа
Электрохимическое восстановление диоксида углерода , также известное как CO2RR , представляет собой преобразование диоксида углерода ( CO2 ) в более восстановленные химические соединения с использованием электрической энергии. Это представляет собой один потенциальный шаг в широкой схеме улавливания и использования углерода . [1]
CO2RR может образовывать разнообразные соединения, включая формиат (HCOO - ) , окись углерода (CO) , метан (CH 4 ) , этилен (C 2 H 4 ) и этанол (C 2 H 5 OH) . [2] Основными проблемами являются относительно высокая стоимость электроэнергии (по сравнению с нефтью) и то, что CO 2 часто загрязнен O 2 и перед восстановлением его необходимо очищать.
Первые примеры CO2RR относятся к 19 веку, когда углекислый газ был восстановлен до монооксида углерода с помощью цинкового катода . Исследования в этой области активизировались в 1980-х годах после нефтяного эмбарго 1970-х годов. По состоянию на 2021 год пилотное электрохимическое восстановление углекислого газа разрабатывается несколькими компаниями, в том числе Siemens , [3] Диоксидные материалы , [4] [5] Двенадцать и Г.Г.Карасек . Недавно был проведен технико-экономический анализ для оценки ключевых технических недостатков и коммерческого потенциала технологии электролиза углекислого газа в условиях, близких к окружающей среде. [6] [7]
Химические вещества из углекислого газа
[ редактировать ]При фиксации углерода растения преобразуют углекислый газ в сахара, из которых происходят многие пути биосинтеза. Катализатор, ответственный за это преобразование, RuBisCO , является наиболее распространенным белком. Некоторые анаэробные организмы используют ферменты для преобразования CO 2 в окись углерода , из которой могут быть получены жирные кислоты. [8]
производятся некоторые продукты В промышленности из CO 2 , в том числе мочевина , салициловая кислота , метанол и некоторые неорганические и органические карбонаты. [9] В лаборатории диоксид углерода иногда используется для получения карбоновых кислот в процессе, известном как карбоксилирование . Электрохимический электролизер CO 2 , работающий при комнатной температуре, еще не поступил в продажу. с повышенной температурой Твердооксидные электролизеры (SOEC) для восстановления CO 2 до CO коммерчески доступны. Например, Haldor Topsoe предлагает SOEC для сокращения выбросов CO 2 с заявленным расходом 6-8 кВтч на Нм. 3 [примечание 1] Производство CO и чистота до 99,999% CO. [10]
Электрокатализ
[ редактировать ]Электрохимическое восстановление углекислого газа до различных продуктов обычно описывается как:
| Реакция | Потенциал восстановления E тот (V) при pH = 7 против SHE [11] |
|---|---|
| СО 2 + 2 Н + + 2 и − → СО + Н 2 О | −0.52 |
| СО 2 + 2 Н + + 2 и − → HCOOH | −0.61 |
| СО 2 + 8 Н + + 8 и − → СН 4 + 2 Н 2 О | −0.24 |
| 2 СО 2 + 12 Н + + 12 и − → С 2 Н 4 + 4 Н 2 О | −0.34 |
Окислительно-восстановительные потенциалы этих реакций аналогичны потенциалам выделения водорода в водных электролитах, поэтому электрохимическое восстановление CO 2 обычно конкурирует с реакцией выделения водорода . [2]
Значительное внимание получили электрохимические методы:
- при атмосферном давлении и комнатной температуре;
- в связи с возобновляемыми источниками энергии (см. также солнечное топливо )
- конкурентная управляемость, модульность и масштабируемость относительно просты. [12]
Электрохимическое восстановление или электрокаталитическая конверсия CO 2 может производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан, этилен, этанол и т. д., а продукты в основном зависят от выбранных катализаторов и рабочих потенциалов (приложения восстановительного напряжения). Разнообразие гомогенных и гетерогенных катализаторов [13] были оценены. [14] [2]
Предполагается, что многие такие процессы осуществляются при посредничестве комплексов углекислого газа металлов . [15] Многие процессы страдают от высокого перенапряжения, низкого выхода по току, низкой селективности, медленной кинетики и/или плохой стабильности катализатора. [16]
Состав электролита может иметь решающее значение. [17] [18] [19] Газодиффузионные электроды являются полезными. [20] [21] [22]
Катализаторы
[ редактировать ]Катализаторы можно сгруппировать по их основным продуктам. [14] [23] [24] Некоторые металлы непригодны для РР CO 2 , поскольку вместо этого способствуют выделению водорода . [25] Электрокатализаторы, селективные по одному конкретному органическому соединению, включают олово или висмут для формиата и серебро или золото для монооксида углерода . Медь производит множество восстановленных продуктов, таких как метан , этилен или этанол , в то время как метанол , пропанол и 1-бутанол также производятся в незначительных количествах. [26]
Тремя распространенными продуктами являются окись углерода , формиат или углеродные продукты более высокого порядка (два или более атомов углерода). [27]
Производство угарного газа
[ редактировать ]Окись углерода может быть получена из CO 2 RR на различных катализаторах из драгоценных металлов. [28] Сталь оказалась одним из таких катализаторов. [29] или водород. [30]
Механически окись углерода возникает из металла, связанного с углеродом СО 2 (см. Металлокарбоновая кислота ). Кислород теряется в виде воды. [31]
Производство формиата/муравьиной кислоты
[ редактировать ]Муравьиная кислота производится как первичный продукт из CO 2 RR на различных катализаторах. [32]
Катализаторы, которые способствуют производству муравьиной кислоты из CO 2, действуют за счет прочного связывания обоих атомов кислорода CO 2 , позволяя протонам атаковать центральный углерод. После атаки центрального углерода один протон, присоединяющийся к кислороду, приводит к образованию формиата. [31] Индиевые катализаторы способствуют образованию формиата, поскольку энергия связи индия с кислородом выше, чем энергия связи индия с углеродом. [33] Это способствует образованию формиата вместо окиси углерода.
C >1 -производящие катализаторы
[ редактировать ]Медные электрокатализаторы производят многоуглеродные соединения из CO 2 . К ним относятся С 2 продукты ( этилен , этанол , ацетат и др.) и даже С 3 (пропанол, ацетон и др.) продукты [34] Эти продукты более ценны, чем продукты C1, но их эффективность по току низкая. [35]
См. также
[ редактировать ]- Электрометаногенез
- Биобатарея
- Электротопливо
- Лимонная батарейка
- Фотоэлектрохимическое восстановление углекислого газа
- Фотохимическое восстановление углекислого газа
- Электролиз воды
- Электрохимическое преобразование энергии
- Биоэлектрохимический реактор
Примечания
[ редактировать ]- ^ Нормальный кубический метр — количество газа, занимающее один кубический метр при стандартной температуре и давлении .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Мечта или реальность? Электрификация химических производств» . www.aiche-cep.com . Проверено 22 августа 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Аппель А.М., Беркоу Дж.Э., Бокарсли А.Б., Доббек Х., Дюбуа Д.Л., Дюпюи М. и др. (август 2013 г.). «Границы, возможности и проблемы биохимического и химического катализа фиксации CO2» . Химические обзоры . 113 (8): 6621–58. дои : 10.1021/cr300463y . ПМЦ 3895110 . ПМИД 23767781 .
- ^ «CO2 превращается в сырье» . Глобальный веб-сайт siemens-energy.com . Архивировано из оригинала 9 июля 2021 г. Проверено 4 июля 2021 г.
- ^ «Электролизеры CO2 с рекордной производительностью» . Диоксидные материалы . Проверено 4 июля 2021 г.
- ^ Мазель, Ричард И.; Лю, Цзэнцай; Ян, Хунчжоу; Качур, Джерри Дж.; Каррильо, Дэниел; Рен, Шаосюань; Сальваторе, Даниэль; Берлингетт, Кертис П. (2021). «Промышленный взгляд на катализаторы низкотемпературного электролиза CO 2» . Природные нанотехнологии . 16 (2): 118–128. Бибкод : 2021НатНа..16..118М . дои : 10.1038/s41565-020-00823-x . ISSN 1748-3395 . ОСТИ 1756565 . ПМИД 33432206 . S2CID 231580446 .
- ^ Джуни, Мэтью; Люк, Уэсли; Цзяо, Фэн (14 февраля 2018 г.). «Общий технико-экономический анализ систем электролиза СО2» . Исследования в области промышленной и инженерной химии . 57 (6): 2165–2177. doi : 10.1021/acs.iecr.7b03514 . ISSN 0888-5885 . ОСТИ 1712664 .
- ^ Шин, Хэын; Хансен, Кентаро У.; Цзяо, Фэн (октябрь 2021 г.). «Технико-экономическая оценка низкотемпературного электролиза углекислого газа» . Устойчивость природы . 4 (10): 911–919. Бибкод : 2021NatSu...4..911S . дои : 10.1038/s41893-021-00739-x . ISSN 2398-9629 . S2CID 235801320 .
- ^ Фонтесилла-Кампс Х.К., Амара П., Кавацца С., Николет Ю., Волбеда А. (август 2009 г.). «Структурно-функциональные взаимосвязи анаэробных газоперерабатывающих металлоферментов». Природа . 460 (7257): 814–22. Бибкод : 2009Natur.460..814F . дои : 10.1038/nature08299 . ПМИД 19675641 . S2CID 4421420 .
- ^ Сьюзан Топхэм, «Двуокись углерода» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a05_165
- ^ «Произведите собственный угарный газ — на месте и по требованию» . www.topsoe.com . Хальдор Топсе. Архивировано из оригинала 28 февраля 2021 года.
- ^ Чжу Д., Лю Дж., Цяо С. (2016). «Последние достижения в области неорганических гетерогенных электрокатализаторов для восстановления углекислого газа» . Продвинутые материалы . 28 (18): 3423–3452. Бибкод : 2016AdM....28.3423Z . дои : 10.1002/adma.201504766 . ПМИД 26996295 .
- ^ Ли С., Ли Дж. (февраль 2016 г.). «Наращивание электродов восстанавливаемых металлических композитов для достижимого электрохимического преобразования диоксида углерода». ChemSusChem . 9 (4): 333–44. Бибкод : 2016ЧСЧ...9..333Л . дои : 10.1002/cssc.201501112 . ПМИД 26610065 .
- ^ Хори Ю (2008). «Электрохимическое восстановление CO2 на металлических электродах». Современные аспекты электрохимии . Том. 42. С. 89–80. дои : 10.1007/978-0-387-49489-0_3 . ISBN 978-0-387-49488-3 .
- ^ Перейти обратно: а б Сенти Дж., Ператонер С. (2009). «Возможности и перспективы химической переработки углекислого газа в топливо». Катализ сегодня . 148 (3–4): 191–205. дои : 10.1016/j.cattod.2009.07.075 .
- ^ Бенсон Э.Э., Кубяк С.П., Сатрум А.Дж., Смиея Дж.М. (январь 2009 г.). «Электрокаталитический и гомогенный подходы к конверсии CO2 в жидкое топливо». Обзоры химического общества . 38 (1): 89–99. дои : 10.1039/b804323j . ПМИД 19088968 . S2CID 20705539 .
- ^ Хальманн М.М., Стейнберг М. (май 1998 г.). Снижение выбросов углекислого газа в парниковых газах: наука и технологии . ЦРК Пресс. ISBN 1-56670-284-4 .
- ^ Ли, Фэнван; и др. (2020). «Молекулярная настройка конверсии CO2 в этилен» . Природа . 577 (7791): 509–513. дои : 10.1038/s41586-019-1782-2 . ПМИД 31747679 . S2CID 208217415 .
- ^ Розен Б.А., Салехи-Ходжин А., Торсон М.Р., Чжу В., Уиппл Д.Т., Кенис П.Дж., Масел Р.И. (ноябрь 2011 г.). «Селективное превращение CO₂ в CO с помощью ионной жидкости при низких перенапряжениях» . Наука . 334 (6056): 643–4. Бибкод : 2011Sci...334..643R . дои : 10.1126/science.1209786 . ПМИД 21960532 . S2CID 31774347 .
- ^ Служба РФ (1 сентября 2017 г.). «Два новых способа превратить «мусорный» углекислый газ в топливо» . Научный журнал . дои : 10.1126/science.aap8497 .
- ^ Торсон М.Р., Сиил К.И., Кенис П.Дж. (2013). «Влияние катионов на электрохимическое превращение CO 2 в CO» . Журнал Электрохимического общества . 160 (1): Ф69–Ф74. дои : 10.1149/2.052301jes . ISSN 0013-4651 . S2CID 95111100 .
- ^ Lv JJ, Jouny M, Luc W, Zhu W, Zhu JJ, Jiao F (декабрь 2018 г.). «Высокопористый медный электрокатализатор для восстановления углекислого газа». Продвинутые материалы . 30 (49): e1803111. Бибкод : 2018AdM....3003111L . дои : 10.1002/adma.201803111 . ОСТИ 1712663 . ПМИД 30368917 . S2CID 53093014 .
- ^ Динь К.Т., Бурдыни Т., Кибрия М.Г., Сейфитокалдани А., Габардо С.М., Гарсиа де Аркер Ф.П. и др. (май 2018 г.). «Электровосстановление CO 2 до этилена посредством катализа меди, опосредованного гидроксидом, на резкой границе раздела» . Наука . 360 (6390): 783–787. дои : 10.1126/science.aas9100 . ПМИД 29773749 .
- ^ Цяо Дж, Лю Ю, Хун Ф, Чжан Дж (январь 2014 г.). «Обзор катализаторов электровосстановления углекислого газа для производства низкоуглеродного топлива». Обзоры химического общества . 43 (2): 631–75. дои : 10.1039/c3cs60323g . ПМИД 24186433 .
- ^ Вайенас, Константинос Г.; Уайт, Ральф Э.; Гамбоа-Альдеко, Мария Э., ред. (2008). Современные аспекты электрохимии . Том. 42. дои : 10.1007/978-0-387-49489-0 . ISBN 978-0-387-49488-3 .
- ^ Линь, Цзяи; Чжан, Исяо; Сюй, Пэнтао; Чен, Ливэй (01 мая 2023 г.). «Электролиз CO2: достижения и проблемы в области электрокаталитической техники и проектирования реакторов» . Отчеты о материалах: Энергетика . Сокращение выбросов CO2 в топливо и углеродное сырье (Часть 2). 3 (2): 100194. doi : 10.1016/j.matre.2023.100194 . ISSN 2666-9358 .
- ^ Тинг Л.Р., Гарсиа-Муэлас Р., Мартин А.Дж., Винстра Ф.Л., Чен С.Т., Пэн Ю. и др. (ноябрь 2020 г.). «Электрохимическое восстановление углекислого газа до 1-бутанола на оксидной меди» . Ангеванде Хеми . 59 (47): 21072–21079. дои : 10.1002/anie.202008289 . ПМЦ 7693243 . ПМИД 32706141 .
- ^ Мок, Дон Хён; Ли, Хун; Чжан, Гуиру; Ли, Чэхён; Цзян, Кун; Бэк, Соин (11 ноября 2023 г.). «Обнаружение электрокатализаторов для снижения выбросов CO2 на основе данных с использованием машинного обучения на основе активных мотивов» . Природные коммуникации . 14 (1): 7303. doi : 10.1038/s41467-023-43118-0 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 10640609 . ПМИД 37952012 .
- ^ Маркандалли, Джулия; Монтейро, Мариана, Колорадо; Гоял, Аканша; Копер, Марк ТМ (19 июля 2022 г.). «Влияние электролита на электрохимическое восстановление CO 2 до CO» . Отчеты о химических исследованиях . 55 (14): 1900–1911. doi : 10.1021/acs.accounts.2c00080 . ISSN 0001-4842 . ПМК 9301915 . ПМИД 35772054 .
- ^ «Как кокс и уголь влияют на производство стали? - Федеральное снабжение стали» . 22 июня 2016 г. Проверено 21 ноября 2023 г.
- ^ «Производство водорода: риформинг природного газа» . Energy.gov.ru . Проверено 21 ноября 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Фистер, Джереми Т.; Ши, Чуан; Кейв, Этоша Р.; Хацукаде, Тору; Абрам, Дэвид Н.; Куль, Кендра П.; Хан, Кристофер; Норсков, Йенс К.; Харамилло, Томас Ф. (07 июля 2017 г.). «Понимание селективности электрохимического восстановления углекислого газа до муравьиной кислоты и монооксида углерода на металлических электродах» . АКС-катализ . 7 (7): 4822–4827. дои : 10.1021/acscatal.7b00687 . ISSN 2155-5435 . ОСТИ 1390311 .
- ^ Валенти Г., Мельчионна М., Монтини Т., Бони А., Наси Л., Фонда Е. и др. (2020). «Водно-опосредованное электрогидрирование CO2 при почти равновесном потенциале с помощью углеродных нанотрубок/наногибридов диоксида церия» . Приложение ACS. Энергия Матер . 3 (9): 8509–8518. дои : 10.1021/acsaem.0c01145 . hdl : 11368/2972442 .
- ^ Го, Вэйвэй; Би, Цзяхуэй; Чэнь, Чуньцзюнь; Тайал, Ахил; Ма, Цзинъюань; Сёцзе; Хан, Буксинг (12 мая 2021 г.). «Атомные индиевые катализаторы для перевода продуктов электровосстановления CO 2 из формиата в CO» химического общества . 143 (18): 6877–6885. . Журнал Американского .1c00151 . ISSN 0002-7863 . PMID 33856799 .
- ^ Куль, Кендра П.; Кейв, Этоша Р.; Абрам, Дэвид Н.; Харамилло, Томас Ф. (26 апреля 2012 г.). «Новые сведения об электрохимическом восстановлении диоксида углерода на металлических поверхностях меди» . Энергетика и экология . 5 (5): 7050–7059. дои : 10.1039/C2EE21234J . ISSN 1754-5706 .
- ^ Конг, Цинцюань; Лю, Цянь; Чжан, Ли, Цинье, Вэйтан; Юй, Цзяо, Ян; Сунь, Чэнхуа (06 марта 2023 г.) . Электрохимическое восстановление углекислого газа: прогресс и перспективы» . Materials Horizons . 10 (3): 698–721. doi : 10.1039/D2MH01218A . ISSN 2051-6355 . PMID 36601800 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- LaConti AB, Molter TM, Zagaja JA (май 1986 г.). Электрохимическое восстановление углекислого газа . Онлайн: Информация для оборонной промышленности. Архивировано из оригинала 27 марта 2012 года.
- Фудзита Э (январь 2000 г.). Углекислый газ (Восстановление) . Аптон, Нью-Йорк (США): Брукхейвенская национальная лаборатория. (БНЛ).
- Ниламегэм NR. «Технологии снижения выбросов углекислого газа: краткий обзор симпозиума TMS 2008» . Общество минералов, металлов и материалов (TMS) .