伊利诺伊大学芝加哥分校和人工光合作用联合中心的研究人员已经确定了电催化剂如何利用水和电能将二氧化碳转化为一氧化碳。这一发现可以促进高效电催化剂的开发，用于大规模生产合成气 - 一氧化碳和氢气的混合物。
“二氧化碳向燃料的电化学还原是一个值得关注的主题，因为它提供了一种以化学键形式存储风能和太阳辐射等能源的方法，”化学工程助理教授Meenesh Singh说。该研究的主要作者发表在“ 美国国家科学院院刊”上。
在加州大学伯克利分校的博士后研究期间，辛格研究了人工光合作用，并且是开发人造叶片的团队的一员，当暴露在直射阳光下时，人造叶片能够将二氧化碳转化为燃料。
在他的最新研究中，辛格开发了一种先进的多尺度模型，将反应途径的量子化学分析结合在一起; 反应动力学的微动力学模型; 以及用于在电解质中运输物质的连续模型，以精确地了解二氧化碳如何通过催化剂(在这种情况下为银)电化学还原，并制成一氧化碳。
Singh说，虽然通常从最低自由能通路的量子化学计算中确定最合理的反应途径，但当吸附物种的覆盖率显着不同时，这种方法可能会产生误导。因此，必须将来自原子水平的催化剂的电子状态的影响与连续体水平的电解质中的物种的动态整合，以准确预测电催化反应途径。
“这种多尺度模型是电化学领域最大的成就之一，”他说。
为了解燃料电池或电化学电池中的电催化剂是如何工作的，科学家需要首先探测电子和量子能级，这在电场存在时极具挑战性，明尼苏达大学化学助理教授Jason Goodpaster说。其中一位合着者。Singh和Goodpaster花了一年多的时间对模型进行单独生产和基准测试，并将它们整合到一个多尺度框架中，用于全面模拟电化学反应。
辛格说，这是第一次科学家从第一原理定量预测，一氧化碳和氢气的当前密度是二氧化碳施加电位和压力的函数。
“一旦你认识到这些反应是如何在电催化剂上发生的，你就可以控制催化剂的结构和操作条件，从而有效地产生一氧化碳，”辛格说。由于它们是产物气体 - 一氧化碳和氢气不溶于水性电解质 - 它们可以容易地作为合成气分离并转化成燃料，例如甲醇，二甲醚或烃的混合物。
Singh说，已知电催化剂如金，银，锌，钯和镓以不同的比例产生二氧化碳和氢的混合物，这取决于所施加的电压。黄金和白银对减少二氧化碳的活动最高，而且由于白银比黄金更丰富，价格更便宜，“白银是大规模生产一氧化碳的更有前途的电催化剂，”他说。
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