将大气 CO2快速有效地转化为化学原料是减轻人为 CO2排放(气候变化的主要驱动因素)的最有前途的方法之一。最近，日本筑波大学的研究人员创造了一种聚合物涂层，当应用于标准金属催化剂时，可显着加速电化学 CO2转化。
主要由于化石燃料的广泛使用，大气中的CO2浓度已从前工业时代的百万分之 280 (ppm) 上升到今天的 410 ppm。随着聚合物材料在现代经济中的份额不断增加，解决与塑料生产相关的CO2排放问题已成为战略重点。
CO2转化为增值化学品
对石化和化工行业的化石原料(如乙烯、丙烯等)的生命周期分析表明，它们的生产排放约 0.4–1.2 kg CO2每千克石化裂解过程生产的原料。这样的数据促使科学家探索新的碳捕获方法，将大气中的 CO2转化为传统上来源于石油或天然气的化学物质。这种方案与可回收原料的使用一起，有可能使聚合物生产链循环。
此外，电化学碳捕获提供了一个有吸引力的机会，通过从 CO2生产碳基燃料和化学原料，以化学形式储存可再生能源。CO2的电化学还原是一个复杂的转化过程，包括多个质子-电子反应步骤，最终生成具有高商业价值的产品，如乙烯、甲烷或甲酸。
电化学碳捕获的局限性是什么?
在传统的基于燃料电池的电化学反应器设计中，电极由聚合物膜隔开。由于比表面积低，这些设计在气-液-固相之间具有固有的传质限制，从而限制了整体转化效率。为了克服这些问题并实现高效的电化学 CO2转化，研究人员将注意力集中在多孔气体扩散金属电催化剂的开发上。
作为CO2转化系统中最关键的部件之一，气体扩散催化电极一直是前几年深入研究的主题。最有前途的探索途径之一是提高催化剂/电极组件的 CO2选择性。使用CO2吸附材料作为电极涂层被证明是提高CO2转化选择性的有前途的方法。不幸的是，对CO2具有高选择性和渗透性的专用化合物的设计和合成既复杂又昂贵。
最近，由筑波大学副教授 Yoshikazu Ito 博士领导的研究小组展示了将廉价的聚合物涂层应用于多孔锡 (Sn) 电催化剂如何将 CO2转化效率提高几倍。他们的研究于2021年 7 月 26日发表在ACS Catalysts杂志上。
一些聚合物如聚乙烯亚胺 (PEI) 和聚乙二醇 (PEG) 可以有效地捕获 CO2分子。伊藤博士团队的想法是，这种吸收CO2 的聚合物可以有效地增加到达催化剂表面的 CO2分子的数量，并创造一个富含CO2 的局部环境。结果将加速催化剂表面的催化反应。
科学家们开发了一种原始的沉积方法，使他们能够在多孔锡电极上创建一种特殊的保形 PEG(一种低成本且应用广泛的聚合物)涂层，而不会影响电催化剂的孔隙率。在一系列详细研究中优化了聚合物层的厚度，同时监测了聚合物涂层金属催化剂的性能。
用于未来清洁技术应用的优化聚合物涂层金属催化剂
通常，锡基催化剂用于将CO2转化为甲酸或甲酸盐(HCOO-)。伊藤博士的同事的实验表明，与类似的无涂层多孔电极相比，PEG 涂层的电催化剂可以产生多 1.5 倍的甲酸盐。与传统的镀锡板电极相比，甲酸盐的生产率提高了 24 倍，并且没有副产物存在(甲酸盐产率为 99%)。
接下来，科学家设计了一系列实验来了解 CO2分子如何通过聚合物涂层转移并输送到催化活性位点。他们比较了CO2涂覆有另一种CO的PEG-涂层催化剂的转化率和相同的催化剂2-capturing聚合物(PEI)，其具有对CO较强的亲和力2。在 CO2转化效率方面，PEG 涂层仍然优于 PEI 涂层。
进一步的理论模型表明，PEI 涂层将 CO2分子保持得太紧，而 PEG 涂层在电催化剂表面提供了捕获、传输和释放之间的正确平衡。这种平衡的另一个关键因素是聚合物涂层本身的形态。PEG 涂层太密太厚，这也对 CO2转化率产生不利影响。
据该团队称，新开发的聚合物涂层可用于改进现有的电合成过程，其中初始 CO2吸附步骤驱动进一步的电化学反应。这样的发展能够从大气中的 CO2生产许多其他有价值的化学品，例如甲烷、甲醇、乙烷、乙醇和烯烃。
