Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья об электрохимической системе. Для связанных систем см. Фотоэлектрохимическое восстановление диоксида углерода и Фотохимическое восстановление диоксида углерода .

Электрохимическое восстановление диоксида углерода является превращение двуокиси углерода более восстановленных химических соединений с использованием электрической энергии. Это один из возможных шагов в широкой схеме улавливания и утилизации углерода . Первые примеры электрохимического восстановления диоксида углерода относятся к 19 веку, когда диоксид углерода был восстановлен до монооксида углерода с использованием цинкового катода . Исследования в этой области активизировались в 1980-х годах после нефтяного 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] монооксид углерода (CO) , метан (CH 4 ) , этилен (C 2 H 4 ) и этанол (C 2 H 5 OH) . [2] [3] [4] Среди наиболее селективных металлических катализаторов в этой области есть олово для муравьиной кислоты, серебро для монооксида углерода и медь для метана, этилена или этанола. Метанол, пропанол и 1-бутанол также производятся электрохимическим восстановлением CO 2 , хотя и в небольших количествах.[5]

Химические вещества из двуокиси углерода [ править ]

При связывании углерода растения превращают углекислый газ в сахара, из которых берут начало многие биосинтетические пути. Катализатор, ответственный за это преобразование, RuBisCo , является наиболее распространенным белком на Земле. Некоторые анаэробные организмы используют ферменты для преобразования CO 2 в оксид углерода , из которого могут быть получены жирные кислоты. [6]

В промышленности некоторые продукты производятся из CO 2 , включая мочевину , салициловую кислоту , метанол и некоторые неорганические и органические карбонаты. [7] В лаборатории иногда для получения карбоновых кислот используют диоксид углерода . Электрохимический электролизер CO 2 , работающий при комнатной температуре, не поступал в продажу. Ячейки с твердооксидным электролизером (SOEC) при повышенной температуре для восстановления CO 2 до CO коммерчески доступны. Например, Haldor Topsoe предлагает SOEC для сокращения выбросов CO 2 с заявленными показателями 6-8 кВтч на Нм3 произведенного CO и чистотой до 99,999% CO. [8]

Электрокатализ [ править ]

Электрохимическое восстановление диоксида углерода до различных продуктов обычно описывается как:

РеакцияПотенциал снижения [9]

E o (V)

CO 2 + 2 H + + 2 e - → HCOOH-0,61
CO 2 + 2 H + + 2 e - → CO + H 2 O-0,53
CO 2 + 8 H + + 8 e - → CH 4 + 2 H 2 O-0,24
2 CO 2 + 12 H + + 12 e - → C 2 H 4 + 4 H 2 O-0,349
2 CO 2 + 12 H + + 12 e - → C 2 H 5 OH + 3 H 2 O-0,329

Окислительно-восстановительные потенциалы для этих реакций аналогичны окислительно-восстановительным потенциалам для выделения водорода в водных электролитах, поэтому электрохимическое восстановление CO 2 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) конкурентоспособная управляемость, модульность и масштабирование относительно просты. [10] Электрохимическое восстановление или электрокаталитическое преобразование CO 2 может производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан, этилен, этанол и т. Д., И продукты в основном зависят от выбранных катализаторов и рабочих потенциалов (применение восстанавливающего напряжения). [11] [12] [13]

Были оценены различные гомогенные и гетерогенные катализаторы [14] . [4] [2] Предполагается, что многие такие процессы работают через посредство металлических комплексов с диоксидом углерода . [15] Многие процессы страдают от высокого перенапряжения, низкого выхода по току, низкой селективности, медленной кинетики и / или плохой стабильности катализатора. [16]

Состав электролита может иметь решающее значение. [17] [18] Газодиффузионные электроды полезны. [19] [20] [21]

См. Также [ править ]

  • Электрометаногенез
  • Биобатарея
  • Электротопливо
  • Лимонная батарея
  • Фотоэлектрохимическое восстановление диоксида углерода
  • Фотохимическое восстановление диоксида углерода
  • Электрохимическое преобразование энергии
  • Биоэлектрохимический реактор

Ссылки [ править ]

  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). «Опосредованное водой электрогидрирование CO2 при почти равновесном потенциале углеродными нанотрубками / наногибридами диоксида церия» . ACS Appl. Energy Mater . 9 : 8509–8518. DOI : 10.1021 / acsaem.0c01145 .
  2. ^ a b Centi, Габриэле; Перафонер, Сиглинда (2009). «Возможности и перспективы химической переработки углекислого газа в топливо». Катализ сегодня . 148 (3–4): 191–205. DOI : 10.1016 / j.cattod.2009.07.075 .
  3. ^ Qiao, J .; и другие. (2014). «Обзор катализаторов электровосстановления диоксида углерода для производства низкоуглеродистого топлива». Chem. Soc. Ред . 43 (2): 631–675. DOI : 10.1039 / c3cs60323g . PMID 24186433 . 
  4. ^ а б в Аппель, AM; и другие. (2013). «Границы, возможности и проблемы биохимического и химического катализа фиксации CO 2 » . Chem. Ред . 113 (8): 6621–6658. DOI : 10.1021 / cr300463y . PMC 3895110 . PMID 23767781 .  
  5. ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202008289
  6. ^ Fontecilla-Camps, JC; Amara, P .; Cavazza, C .; Nicolet, Y .; Волбеда, А. (2009). «Структурно-функциональные отношения анаэробных металлоферментов газопереработки». Природа . 460 (7257): 814–822. Bibcode : 2009Natur.460..814F . DOI : 10,1038 / природа08299 . PMID 19675641 . 
  7. ^ Сьюзан Топхэм, «Двуокись углерода» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a05_165
  8. ^ https://www.topsoe.com/processes/carbon-monoxide . Отсутствует или пусто |title=( справка )
  9. ^ Сунь, Чжэньюй; Ма, Дао; Тао, Хэнцун; Фан, Цюнь; Хан, Буксин (2017). «Основы и проблемы электрохимического снижения выбросов CO2 с использованием двумерных материалов» . Chem . 3 (4): 560–587. DOI : 10.1016 / j.chempr.2017.09.009 .
  10. ^ Ли, S .; и другие. (2016). «Электродное наращивание восстанавливаемых металлических композитов для достижения достижимого электрохимического превращения диоксида углерода». ChemSusChem . 9 (4): 333–344. DOI : 10.1002 / cssc.201501112 . PMID 26610065 . 
  11. ^ Ли, S .; и другие. (2015). «Устойчивое производство муравьиной кислоты путем электролитического восстановления газообразного диоксида углерода». J. Mater. Chem. . 3 (6): 3029–3034. DOI : 10.1039 / C4TA03893B .
  12. ^ Уиппл, ДТ; и другие. (2010). «Перспективы CO
    2    Использование посредством прямого гетерогенного электрохимического восстановления ". J. Phys. Chem. Lett . 1 (24): 3451–3458. Doi : 10.1021 / jz1012627 .
  13. ^ Мачундаа, RL; и другие. (2011). «Электрокаталитическое восстановление CO
    2    газ на газодиффузионном электроде на основе Sn ». Current Applied Physics . 11 : 986–988. doi : 10.1016 / j.cap.2011.01.003 .
  14. ^ Хори, Ю. (2008). «Электрохимическое восстановление CO2 на металлических электродах». Современные аспекты электрохимии . Современные аспекты электрохимии. 42 . С. 89–80. DOI : 10.1007 / 978-0-387-49489-0_3 . ISBN 978-0-387-49488-3.
  15. ^ Бенсон, Эрик Э .; Kubiak, Clifford P .; Сатрам, Аарон Дж .; Смейджа, Джонатан М. (2009). «Электрокаталитический и гомогенный подходы к конверсии CO
    2    в жидкое топливо». Chem Soc Rev.. . 38 (1): 89-99. DOI : 10.1039 / b804323j . PMID  19088968 . S2CID  20705539 .
  16. ^ Халманн и Стейнберг, "Снижение выбросов углекислого газа парниковых газов", Lewis Publishers, 1999. ISBN 1-56670-284-4 
  17. ^ Розен, Брайан А .; Салехи-Ходжин, Амин; Торсон, Майкл Р .; Zhu, W .; Уиппл, Девин Т .; Кенис, Пол Дж. А.; Масел, Ричард I (2011). «Опосредованное ионной жидкостью селективное превращение CO 2 в CO при низких перенапряжениях». Наука . 334 (6056): 643–644. Bibcode : 2011Sci ... 334..643R . DOI : 10.1126 / science.1209786 . PMID 21960532 . 
  18. ^ Служба РФ, два новые способа превратить «мусор» углекислый газ в топливо WWW .sciencemag .org / Новости / 2017 /09 / два-новый-путь-пошаговой мусора углекислотных топлив
  19. ^ 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. DOI : 10.1149 / 2.052301jes . ISSN 0013-4651 . S2CID 95111100 .  
  20. ^ 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. DOI : 10.1002 / adma.201803111 . PMID 30368917 . 
  21. ^ 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. DOI : 10.1126 / science.aas9100 . ISSN 0036-8075 . PMID 29773749 .  
  • http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA169630
  • http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=20E4E93014C17486C2D213998D1D56FC?purl=/752152-JsQXqJ/native/
  • http://www.tms.org/pubs/journals/jom/0802/neelameggham-0802.html