Электрохимическое восстановление диоксида углерода - Electrochemical reduction of carbon dioxide

Эта статья об электрохимической системе. Для связанных систем см. Фотоэлектрохимическое восстановление диоксида углерода и Фотохимическое восстановление диоксида углерода.

В электрохимическое восстановление диоксида углерода это преобразование углекислый газ больше восстановленные химические вещества используя электрическую энергию. Это один из возможных шагов в широкой схеме улавливание и утилизация углерода. Первые примеры электрохимического восстановления диоксида углерода относятся к 19 веку, когда диоксид углерода был восстановлен до монооксид углерода используя цинк катод. Исследования в этой области активизировались в 1980-х годах после нефтяные эмбарго 1970-х годов. Электрохимическое восстановление диоксида углерода представляет собой возможное средство производства химикатов или топлива, превращающих диоксид углерода (CO
2) в органическое сырье, такое как муравьиная кислота (HCOOH),[1] окись углерода (CO), этилен (C2ЧАС4), этанол (C2ЧАС5ОЙ) и метан (CH4).[2][3][4] К наиболее селективным металлическим катализаторам в этой области относятся: банка для муравьиной кислоты, золото для окиси углерода и медь для этилена, этанола или метана. Пропанол и 1-бутанол также производились через CO.2 электрохимическое восстановление, хотя и в небольших количествах. [5]

Химические вещества из двуокиси углерода

В фиксация углерода, растения превращают углекислый газ в сахара, из которых берут начало многие биосинтетические пути. Катализатор, ответственный за это преобразование, RuBisCo, это самый распространенный белок на Земле. Некоторые анаэробные организмы используют ферменты для преобразования CO2 к монооксид углерода, из которых могут быть получены жирные кислоты.[6]

В промышленности некоторые продукты производятся из CO.2, включая мочевина, салициловая кислота, метанол и некоторые неорганические и органические карбонаты.[7] В лаборатории иногда используют углекислый газ для приготовления карбоновые кислоты. Нет электрохимического CO2 электролизер, работающий при комнатной температуре, уже поступил в продажу. Твердооксидные электролизеры с повышенными температурами (SOEC) для CO2 восстановление до CO коммерчески доступны. Например, Haldor Topsoe предлагает SOEC для CO.2 снижение с заявленным 6-8 кВтч на Нм3 произведенного CO и чистотой до 99,999% CO.[8]

Электрокатализ

Электрохимическое восстановление диоксида углерода до CO обычно описывается как:

CO2 + 2 часа+ + 2 е− → CO + H2О

Окислительно-восстановительный потенциал этой реакции аналогичен выделению водорода в водных электролитах, поэтому электрохимическое восстановление CO2 обычно конкурирует с реакцией выделения водорода.[4]

Значительное внимание уделяется электрохимическим методам: 1) при атмосферном давлении и комнатной температуре; 2) в связи с возобновляемыми источниками энергии (см. Также солнечное топливо ) 3) конкурентная управляемость, модульность и масштабируемость относительно просты.[9] Электрохимическое восстановление или электрокаталитическое преобразование CO2 могут производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан, этилен, этан и т. д., и продукты в основном зависят от выбранных катализаторов и рабочих потенциалов (применение понижающего напряжения).[10][11][12]

Разнообразие однородный и гетерогенные катализаторы[13] были оценены.[4][2] Предполагается, что многие такие процессы работают через посредство углекислотные комплексы металлов.[14] Многие процессы страдают от высокого перенапряжения, низкого выхода по току, низкой селективности, медленного кинетика и / или плохая стабильность катализатора.[15]

Состав электролита может иметь решающее значение.[16][17] Полезны газодиффузионные электроды.[18][19][20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Валенти, G .; Melchionna, A .; Montini, T .; Бони, А .; Nasi, L .; Fonda, E .; Criado, A .; Zitolo, A .; Voci, S .; Bertoni, G .; Bonchio, M .; Fornasiero, P .; Паолуччи, Ф .; Прато, М. (2020). "Электрогидрогенизация с участием воды CO2 при почти равновесном потенциале углеродными нанотрубками / наногибридами диоксида церия". ACS Appl. Energy Mater. 9: 8509–8518. Дои:10.1021 / acsaem.0c01145.
  2. ^ а б Сенти, Габриэле; Перафонер, Сиглинда (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.
  3. ^ Qiao, J .; и другие. (2014). «Обзор катализаторов электровосстановления диоксида углерода для производства низкоуглеродистого топлива». Chem. Soc. Rev. 43 (2): 631–675. Дои:10.1039 / c3cs60323g. PMID  24186433.
  4. ^ а б c Appel, A. M .; и другие. (2013). «Границы, возможности и проблемы в области биохимического и химического катализа CO2 Фиксация ». Chem. Rev. 113 (8): 6621–6658. Дои:10.1021 / cr300463y. ЧВК  3895110. PMID  23767781.
  5. ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202008289
  6. ^ Fontecilla-Camps, J.C .; Amara, P .; Cavazza, C .; Nicolet, Y .; Волбеда, А. (2009). «Структурно-функциональные отношения анаэробных металлоферментов газопереработки». Природа. 460 (7257): 814–822. Bibcode:2009Натура.460..814F. Дои:10.1038 / природа08299. PMID  19675641.
  7. ^ Сьюзан Топхэм, «Двуокись углерода» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005 г., Wiley-VCH, Weinheim. Дои:10.1002 / 14356007.a05_165
  8. ^ https://www.topsoe.com/processes/carbon-monoxide. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  9. ^ Lee, S .; и другие. (2016). «Электродное наращивание восстанавливаемых металлических композитов для достижения достижимого электрохимического превращения диоксида углерода». ChemSusChem. 9 (4): 333–344. Дои:10.1002 / cssc.201501112. PMID  26610065.
  10. ^ Lee, S .; и другие. (2015). «Устойчивое производство муравьиной кислоты путем электролитического восстановления газообразного диоксида углерода». J. Mater. Chem. А. 3 (6): 3029–3034. Дои:10.1039 / C4TA03893B.
  11. ^ Whipple, D.T .; и другие. (2010). "Перспективы CO
    2     Утилизация методом прямого гетерогенного электрохимического восстановления ». J. Phys. Chem. Латыш. 1 (24): 3451–3458. Дои:10.1021 / jz1012627.
  12. ^ Machundaa, R.L .; и другие. (2011). «Электрокаталитическое восстановление CO
    2     газ на газодиффузионном электроде на основе Sn ». Современная прикладная физика. 11: 986–988. Дои:10.1016 / j.cap.2011.01.003.
  13. ^ Хори, Ю. (2008). «Электрохимическое восстановление CO2 на металлических электродах». Современные аспекты электрохимии. Современные аспекты электрохимии. 42. С. 89–80. Дои:10.1007/978-0-387-49489-0_3. ISBN  978-0-387-49488-3.
  14. ^ Бенсон, Эрик Э .; Kubiak, Clifford P .; Сатрам, Аарон Дж .; Смейджа, Джонатан М. (2009). «Электрокаталитический и гомогенный подходы к конверсии CO
    2     на жидкое топливо ». Chem. Soc. Rev. 38 (1): 89–99. Дои:10.1039 / b804323j. PMID  19088968. S2CID  20705539.
  15. ^ Халманн и Стейнберг, "Снижение выбросов двуокиси углерода парниковых газов", Lewis Publishers, 1999. ISBN  1-56670-284-4
  16. ^ Розен, Брайан А .; Салехи-Ходжин, Амин; Торсон, Майкл Р .; Zhu, W .; Уиппл, Девин Т .; Kenis, Paul J. A .; Масел, Ричард I (2011). "Селективное превращение CO, опосредованное ионной жидкостью2 к СО при низких перенапряжениях ». Наука. 334 (6056): 643–644. Bibcode:2011Научный ... 334..643R. Дои:10.1126 / science.1209786. PMID  21960532.
  17. ^ Р.Ф. Сервис, Два новых способа превратить «мусорный» углекислый газ в топливо www.sciencemag.org/Новости/2017/09/ два-новые-способы-превратить-мусор-углекислый газ-топливо
  18. ^ Торсон, Майкл Р .; Siil, Karl I .; Кенис, Пол Дж. А. (2013). «Влияние катионов на электрохимическое превращение CO 2 в CO». Журнал Электрохимического общества. 160 (1): F69 – F74. Дои:10.1149 / 2.052301jes. ISSN  0013-4651. S2CID  95111100.
  19. ^ Lv, Jing-Jing; Джоуни, Мэтью; Люк, Уэсли; Чжу, Венлей; Чжу, Цзюнь-Цзе; Цзяо, Фэн (декабрь 2018 г.). «Высокопористый медный электрокатализатор для восстановления двуокиси углерода». Современные материалы. 30 (49): 1803111. Дои:10.1002 / adma.201803111. PMID  30368917.
  20. ^ Динь, Као-Тханг; Бурдыный, Томас; Кибрия, штат Мэриленд Голам; Сейфитокалдани, Али; Габардо, Кристина М .; Гарсиа де Аркер, Ф. Пелайо; Киани, Амирреза; Эдвардс, Джонатан П .; Де Луна, Фил (18.05.2018). «Электровосстановление CO 2 до этилена посредством катализа меди, опосредованного гидроксидом, на резкой границе раздела». Наука. 360 (6390): 783–787. Дои:10.1126 / science.aas9100. ISSN  0036-8075. PMID  29773749.