利用离子液体电解质将二氧化碳高效转化为燃料和化学品
利用电力将二氧化碳转化为燃料和化学品，也称为二氧化碳的电化学转化，是一种很有前途的减排方法。这一过程使我们能够利用从工业和大气中捕获的碳，并将其转化为我们通常从化石燃料中获取的资源。
为了推进正在进行的高效电化学转化研究，同志社大学的科学家介绍了一种经济有效的方法，可以从二氧化碳中生产有价值的碳氢化合物。这项研究于 2024 年 5 月 17 日在线发布，并于 2024 年 7 月 20 日正式发表在《Electrochimica Acta》杂志上。 研究小组由 Takuya Goto 教授领导，包括理工学院的 Saya Nozaki 女士和哈里斯科学研究所的 Yuta Suzuki 博士，他们利用含有金属氢氧化物的离子液体作为电解质，在碱性银 (Ag) 电极上生产乙烯和丙烷。
“大多数关于室温液体电解质 CO2 电解的研究都集中在电极的催化性能上。在这项开创性的研究中，我们专注于电解质，并成功地在简单的金属电极上产生了有价值的碳氢化合物气体，” Goto教授说。
离子液体为 CO 2的电化学还原提供了独特的优势。它们可在很宽的电压范围内工作而不会分解，不易燃，沸点高。这种稳定性使电解质能够承受放热 CO 2还原过程中产生的高温。
在他们的研究中，研究人员研究了以 N, N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)四氟硼酸铵 (DEME-BF 4 ) 为电解质， CO 2和水的电化学转化。DEME-BF 4电解质为最大限度地减少 CO 2提供了最佳条件。DEME +离子增强了 CO 2的溶解度，使更多的 CO 2分子参与反应。此外，由于其亲水性，通过将电解质与水混合，可以轻松提供将CO 2还原为碳氢化合物所需的氢离子。
研究人员发现，通过在电解质中添加含有金属氢氧化物(如氢氧化钙 (Ca(OH) 2 )、氢氧化钠 (NaOH) 和氢氧化铯 (CsOH))的水溶液，可以提高CO2向碳氢化合物的电化学转化率。离子液体中的氢氧化物可以与 CO2 发生反应，形成碳酸氢盐 (HCO 3 − ) 和碳酸盐 (CO 3 2− )，从而进一步提高CO2参与电化学反应的可用性。
在室温电解(298 K 或 25°C)的 CO2 气氛下，研究人员成功将 CO2 还原为乙烯 (C 2 H 4 )、乙烷 (C 2 H 6 )、丙烯 (C 3 H 6 ) 和丙烷 (C 3 H 8 )。他们使用与水混合并含有 Ca(OH) 2的 DEME-BF 4电解质实现了每种产品的最高电流效率，丙烷的效率高达 11.3%，乙烯的效率高达 6.49%。这一效率比其他金属氢氧化物高出 1000 多倍。
用拉曼光谱和密度泛函理论 (DFT) 计算解释了这种高效率的原因。这些分析表明，当 CO 2与电解质中的OH -离子相互作用时形成的碳酸氢根离子与电解质中的 DEME +和 BF 4 -离子相互作用形成稳定的结构 [DEME + -BF 4 − -HCO 3 − -Ca 2+ ]。
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