然而，许多在实验室中看起来很有前景的工艺在适合发电厂或其他排放源的放大形式中却效果不佳。
现在，麻省理工学院(MIT) 的研究人员已经确定、量化并建模了此类转换系统性能不佳的主要原因。罪魁祸首原来是用于催化转化的电极旁边二氧化碳气体的局部耗尽。研究小组发现，这个问题可以通过一种简单的方法来解决，即以特定的时间间隔关闭和开启电流，从而使气体有时间在电极旁边重新累积到所需的水平。
这些发现可能会刺激各种电化学二氧化碳转化系统的材料和设计的开发取得进展。研究成果于2022年1月11日发表于《Langmuir》。论文作者为麻省理工学院博士后阿尔瓦罗·莫雷诺·索托（lvaro Moreno Soto）和研究生杰克·莱克（Jack Lake）以及机械工程教授克里帕·瓦拉纳西（Kripa Varanasi）。
“我认为减少二氧化碳排放是我们这个时代面临的巨大挑战之一，”瓦拉纳西说。虽然该领域的大部分研究都集中在碳捕获和储存上，将气体泵入某种深层地下水库或将其转化为石灰石等惰性固体，但另一种有前途的途径是将气体转化为其他碳化合物例如用作燃料的甲烷或乙醇，或用作有用聚合物的前体的乙烯。
有多种方法可以进行这种转换，包括电化学、热催化、光热或光化学过程。 “其中每一个都有问题或挑战，”瓦拉纳西说。他说，热工艺需要非常高的温度，并且不会产生非常高价值的化学产品，这对光活化工艺来说也是一个挑战。 “效率始终是个问题。”
据悉，研究团队专注于电化学方法，目标是获得高碳产品——含有更多碳原子的化合物，由于单位重量或体积的能量，这些产品往往是价值更高的燃料。在这些反应中，最大的挑战是包含可能同时发生的竞争反应，特别是水分子分裂成氧气和氢气。
当溶解有二氧化碳的液体电解质流经过带电金属催化表面时，就会发生反应。但当二氧化碳转化时，它会在电解质流中留下一个区域，在那里它基本上已经被耗尽，因此这个耗尽区域的反应转向水的分解。研究人员发现，这种不必要的反应会消耗能量，并大大降低转换过程的整体效率。
“有很多小组正在研究这个问题，并且有很多催化剂。在所有这些中，我认为氢的共同进化成为了一个瓶颈，”瓦拉纳西说。
他们发现，抵消这种消耗的一种方法可以通过对系统施加脉冲来实现——只需关闭电压，停止反应，让二氧化碳有时间扩散回消耗区并再次达到可用水平，然后再恢复反应一段时间。一个周期。
研究人员表示，研究小组经常发现有前景的催化剂材料，但他们的实验室测试时间不够长，无法观察到这些消耗效应，而且扩大其系统规模的尝试也遭到了挫败。此外，催化剂附近二氧化碳的浓度决定了所制造的产品。因此，消耗也会改变所生产产品的组合，并使过程变得不可靠。瓦拉纳西说：“如果你希望能够制造一个在工业规模上运行的系统，那么你需要能够长时间运行，并且你不需要产生这些会降低性能的影响。”该过程的效率或可靠性。”
该团队研究了三种不同的催化剂材料——包括铜——“我们真正专注于确保我们理解并能够量化消耗效应，”莱克说。在此过程中，他们能够开发出一种简单可靠的方法，通过测量系统电解质中不断变化的pH（酸度测量值）来监测转化过程的效率。
在他们的测试中，他们使用了更复杂的分析工具来表征反应产物，包括气相色谱法来表征气体产物，以及核磁共振来表征系统的液体产物。但他们的分析表明，在操作过程中对电极旁边的电解质进行简单的pH 测量就可以充分衡量反应进行的效率。
Moreno Sot 指出，这种方便地实时监控反应的能力最终可能会导致通过机器学习方法优化系统，并通过连续反馈控制所需化合物的生产速率。
研究人员表示，既然这个过程已经被理解和量化，它可能会导致开发其他减少二氧化碳消耗的方法，这些方法可以很容易地使用他们的方法进行测试。
Lake表示，这项工作表明，在这样的电催化系统中，无论使用什么催化剂材料都会受到这个问题的影响，但现在，通过使用他们开发的模型，可以准确地确定需要评估什么样的时机。窗口准确了解材料的整体效率以及哪些系统操作将最大限度地提高其效率。
