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研究人员通过改进电化学还原技术实现可持续能源生产

2021-04-13 20:41 · 稿源:cnbeta

在对未来可持续燃料和化学品生产的设想中,污水、厨余和木屑等少量生物质的储存往往被忽视。其原因是将这些材料运送到大规模的集中式生物精炼厂所需要的能源比它们生产的能源还要多。然而,这些材料中有足够的碳滞留,理论上可以提供美国运输燃料需求的25%。

由太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员领导的一项新的评论提供了一个捕获这些未使用材料的解决方案:位于废物源附近的迷你炼油厂,以及利用可再生能源驱动的电化学还原反应处理这些看似难以被利用的物质。

在最近发表在《化学评论》上的论文中,研究人员从100多年的化学理论中收集了迷你炼油厂加工工业物质的高效部分所需的理论、材料和反应器设计的信息。在过去的四年里,该计划一直在研究功能性迷你炼油厂所需的基础电化学、催化剂设计和反应器设计。

将污水、厨余和植物废弃物转化为燃料的挑战在于必要的分子转化。这种转化的第一步是在高温下分解生物质,以产生粗制的生物油。这种油含有醛、酮、酯、酸和酚等分子,其中含有许多氧原子。然而,燃料是由各种碳氢化合物分子组成的,这些碳氢化合物分子含有的氢比氧多。向富含氧的分子中添加氢气需要进行化学转化,称为还原反应。为了在生物油上进行这些反应,现有的工业工艺在高温高压下用氢气轰击生物原油。

在大范围内,这些反应过程中产生的热量被收集并重新用于其他精炼步骤。这最大限度地提高了该工艺的总体能源效率。然而,在小规模的情况下,这些热量就会流失,无法再利用。这意味着需要采用其他的还原反应方法来对小规模的废物进行局部处理。

众所周知的电化学还原反应是实现节能小型精炼厂所需的温和条件的一条途径。在这些反应中,电力和金属催化剂,而不是氢气和热量推动了分子转化。混合物中的其他分子也可以同时被清除,在反应过程中提供氢原子。

与使用氢气的热化学还原相比,生物油中特定分子的电化学还原可以在不提高反应温度的情况下更快地进行,并产生较少的副产品。这意味着在以后的生产过程中需要更少的净化步骤,从而提高了整个过程的能源效率。

电化学转化所需的基本电化学已为人所知数百年。然而,大多数工作都涉及到实验室对代表来自生物质的分子的模型化合物的研究。在这篇综述中,研究人员概述了现有的信息--仍然需要将这些反应搬出实验室。这些信息包括研究开发能够处理生物油中发现的复杂分子混合物的新催化剂,以及电化学分析以开发节能工艺。

PNNL的 "化学转化计划 "为推进这项工作提供了一个独一无二的机会,因为它将具有催化专业知识的研究人员与擅长电化学的研究人员结合在一起。这些不同的视角共同带来了有关指导电催化反应每一步的基本原理的知识。然后,研究人员可以在这个广泛的基础上推动现有科学向应用发展,并将特定反应与特定的生产步骤相匹配。

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