在《自然能源》杂志上的一篇新论文中，劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员报告说，他们提高了一种称为电化学还原的过程的选择性，该过程允许将二氧化碳排放物转化为燃料原料。
据科学家称，这种改进是通过开发一种新方法来改进用于辅助反应的铜催化剂的表面来实现的。
“虽然我们知道铜是这种反应的最佳催化剂，但它并没有为所需的产品提供高选择性，”该研究的合著者之一亚历克西斯贝尔在媒体声明中说。“我们的团队发现你可以利用催化剂的当地环境做各种技巧来提供这种选择性。”
贝尔指出，之前的研究已经建立了精确的条件，为创造具有商业价值的富碳产品提供了最佳的电气和化学环境。然而，这些条件与使用水基导电材料的典型燃料电池中自然发生的条件相反。
为了确定一种可用于燃料电池水性环境的设计，贝尔和他的团队转向了离聚物的薄层，即允许某些带电分子(离子)通过同时排除其他分子(离子)的聚合物。由于其高度选择性的化学性质，它们特别适合对微环境产生强烈影响。
根据该论文的第一作者 Chanyeon Kim 的提议，研究人员决定在由聚合物材料支撑的铜催化剂表面涂上一层薄薄的两种常见离聚物 Nafion 和 Sustainion，以及两种离聚物的双层，从而形成膜，它们可以插入靠近手大小的电化学电池的一端。
在向电池中注入二氧化碳并施加电压时，他们测量了流过电池的总电流。然后他们测量了在反应过程中收集在相邻水库中的气体和液体。对于两层情况，他们发现富含碳的产物占反应消耗的能量的 80%，高于未涂层情况下的 60%。
“这种夹心涂层提供了两全其美的优点：高产品选择性和高活性，”贝尔说。双层表面不仅有利于富含碳的产品，而且还产生了强大的电流，表明活性增加。
研究人员得出结论，改进的反应是由于直接在铜顶部的涂层中积聚了高 CO2 浓度的结果。此外，堆积在两种离聚物之间区域的带负电荷的分子会产生较低的局部酸度。这种组合抵消了在没有离聚物薄膜的情况下往往会发生的浓度权衡。
为了进一步提高反应效率，研究人员转向了一种之前已经证明过的技术，无需离聚物薄膜，作为增加 CO2 和 pH 值的另一种方法：脉冲电压。通过对双层离聚物涂层使用脉冲电压，与未涂层的铜和静态电压相比，他们使富含碳的产品增加了 250%。
这些发现使他们意识到，虽然一些科学家将他们的工作重点放在开发新催化剂上，但催化剂的发现并未考虑操作条件。控制催化剂表面的环境是一种新的、不同的方法。
“我们没有提出全新的催化剂，而是利用我们对反应动力学的了解，并利用这些知识来指导我们思考如何改变催化剂现场的环境，”合著者亚当韦伯说.
