碳捕获转化为乙烯生产的突破性发现

诸平

Abstract illustration of atoms passing through water and an electrified membrane under a shining sun. Credit: Meenesh Singh

据美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago简称UIC）2022年9月9日报道，该校的研究人员在碳捕获转化为乙烯生产研究方面右栏突破性发现（A breakthrough discovery in carbon capture conversion for ethylene production）。

伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的米内什·辛格（Meenesh R. Singh）领导的一个研究小组发现了一种方法，可以将从工业废气中捕获的二氧化碳100%转化为乙烯，乙烯是塑料制品的关键组成部分。相关研究结果于2022年9月9日已经在《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志网站发表——Aditya Prajapati, Nishithan C. Kani, Joseph A. Gauthier, Rohan Sartape, Jiahan Xie, Ivan Bessa, Miguel T. Galante, Samuel L. Leung, Marcio H. S. Andrade, Robert T. Somich, Márcio V. Rebouças, Gus T. Hutras, Nathália Diniz, Meenesh R. Singh. CO₂-free high-purity ethylene from electroreduction of CO₂ with 4% solar-to-ethylene and 10% solar-to-carbon efficiencies. Cell Reports Physical Science, Published: September 09, 2022. DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.101053.

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00347-2

十多年来，虽然研究人员一直在探索将二氧化碳（ carbon dioxide）转化为乙烯（ethylene）的可能性，但UIC团队的方法是第一个实现近100%的二氧化碳利用来生产碳氢化合物的方法。他们的系统使用电解将捕获的二氧化碳气体（ carbon dioxide gas）转化为高纯度乙烯，以及其它碳基燃料和氧气作为副产品。  

该工艺可以将多达6公吨的二氧化碳转化为1公吨的乙烯，回收几乎所有捕获的二氧化碳。由于该系统依靠电力运行，因此使用可再生能源可以使该过程产生负碳。  

根据米内什·辛格的说法，他的团队的方法通过实际减少工业的二氧化碳总排放量，超越了其他碳捕获和转化技术的净零碳目标。他说：“这是一个净负面排放。每生产1吨乙烯，就会从点源中吸收6吨二氧化碳，否则这些二氧化碳会释放到大气中。” 

先前将二氧化碳转化为乙烯的尝试依赖于在源二氧化碳排放流中产生乙烯的反应器。在这些情况下，只有10%的二氧化碳排放通常会转化为乙烯。乙烯随后必须从二氧化碳中分离出来，这是一个能源密集型的过程，通常需要使用化石燃料。

在UIC的方法中，电流（electric current）通过一个电池，其中一半充满捕获的二氧化碳，另一半充满水基溶液。带电催化剂将水分子（water molecules）中的带电氢原子（hydrogen atoms ）吸引到由膜隔开的单元的另一半，在那里它们与二氧化碳分子中的带电碳原子（carbon atoms）结合形成乙烯。 

在全球制造化学品中，乙烯的碳排放量仅次于氨和水泥，位居第三。乙烯不仅用于制造用于包装、农业和汽车行业的塑料产品（plastic products），还用于生产用于防冻剂、医用消毒剂和房屋乙烯基壁板的化学品。 

乙烯通常是在称为蒸汽裂解的过程中制造的，该过程需要大量的热量。裂解产生的每吨乙烯产生约1.5公吨的碳排放。平均而言，制造商每年生产约1.6亿吨乙烯，这导致 全球二氧化碳排放量超过2.6亿吨（260 million tons）。 

除了乙烯之外，UIC的科学家们还能够通过他们的电解方法生产出其他对工业有用的富碳产品。他们还实现了非常高的太阳能转换效率，将来自太阳能电池板（solar panels）的10%的能量直接转换为碳产品输出。这远高于2%的最新标准。对于他们生产的所有乙烯，太阳能转换效率约为4%，与光合作用的速率大致相同。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Conversion process turns carbon dioxide into cash

Highlights

• Design of an electrochemical system for CO₂-free product extraction

• Square-wave oscillating potentials show high C₂H₄ selectivity

• Gaseous C₂H₄ purity of 52 wt % is obtained

• PV electrolyzer yields 10% solar-to-carbon and 4% solar-to-C₂H₄ efficiency

Summary

C₂H₄ is an essential precursor for synthesis of a range of industrial chemicals while contributing ～150 Mt of CO₂e emissions per year. C₂H₄ synthesis via electrochemical CO₂ reduction reaction (CO2RR) is an attractive approach to reduce carbon emissions. The lower single-pass conversion (<10%) of the state-of-the-art CO₂ electrolyzers contributes significantly to the cost of post-CO2RR separation of products, rendering even processes with high CO2RR current densities unfit for scaling up. Here, we develop an aqueous flow-through electrochemical cell to enhance the activity and selectivity of C₂H₄ on a three-dimensional (3D) Cu mesh electrode by applying square-wave oscillating potentials. A high C₂H₄ faradaic efficiency of ～58%, C₂H₄ current density of 306 mA/cm², and gaseous C₂H₄ purity of ～52 wt % without CO₂ in the product stream are obtained. Integrating the 3D Cu mesh catalyst in a photovoltaic (PV) electrolyzer yields a solar-to-carbon (STC) efficiency of ～10% with a solar-to- C₂H₄ efficiency of ～4%.

Graphical abstract

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