Small Methods:低熵态Cu₃Sn合金促进二氧化碳转化制备绿色乙醇

1、研究背景:

乙醇是一种广泛用于工业和民用领域的关键性化工原料,但当前的乙醇生产很大程度上依赖于石油化工及生物发酵,并因此了导致了包括年均1.7亿吨二氧化碳排放在内的诸多环境负外部性。因此,在全球协力推动“碳中和”目标落实的当下,新的乙醇低碳生产技术也成为了一个关键性的研究课题。在众多策略中,基于可再生电力的电化学二氧化碳因其零碳排放潜力而受到了大家的关注。例如,铜基催化剂还原二氧化碳制备乙醇正是这么一种具备同时实现减少二氧化碳排放和绿色乙醇生产的有价值路线,但当前,低成本、高活性、高选择性催化剂的开发仍是一个亟待解决的重大挑战。

2、文章概述:

近日,由复旦大学郑耿锋教授与新加坡南洋理工大学李述周教授领导的科研团队提出了一种新型的基于低熵态Cu3Sn合金的电催化二氧化碳转化系统,能够实现工业级别的电流密度(–900 mA cm-2)下绿色乙醇的高选择性获得(>71%碳基产物选择性)。

图1. 基于低熵态Cu3Sn合金催化剂的高效绿色乙醇生产

图2. 转化系统生命周期分析。(a)分析模型;(b)基于不同可再生电力驱动的二氧化碳转化系统实验室级别碳足迹分析结果;(c)基于不同可再生电力驱动的二氧化碳转化系统全系统碳足迹分析结果

该技术基于传统燃料电池高熵态贵金属合金抗CO中毒的逆向思维,利用低熵态Cu3Sn强化CO等关键中间体吸附,实现高定向碳碳偶联得到乙醇为主的多碳产物。生命周期分析(LCA)表明,利用风电驱动的该转化系统,理论上能够实现乙醇生成的大幅低碳化。由该系统生产得到的绿色乙醇每提供1MJ能量,其全生命周期碳足迹仅为3.2 gCO2-eq,相比于传统乙醇细菌发酵得到的生物乙醇降低了约55%,同时大幅优于传统汽油(89 gCO2-eq)或合成乙醇(98.7 gCO2-eq)等化石基燃料。该转化系统对于探索未来乙醇等大宗燃料低碳化生产方法具有指导和借鉴意义。

该项目研究获得国家重点研发计划(2018YFA0209401, 2017YFA0206901)、国家自然科学基金(22025502, 21975051, 21773036)、上海市科委 (21DZ1206800, 19XD1420400)、上海市教委 (2019-01-07-00-07-E00045) 以及新加坡教育部资助项目(Tier 1 (RG8/20))等项目资助,谨此感谢。

论文信息:

Efficient CO2 Electroreduction to Ethanol by Cu3Sn Catalyst

Longmei Shang, Ximeng Lv, Lixiang Zhong, Shuzhou Li*, Gengfeng Zheng*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101334

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smtd.202101334