如果我們能將有害污染轉化為寶貴的能源，那會怎麼樣？隨著世界邁向碳中和，開發減少排放的新技術至關重要。科學家利用噴塗催化劑和直接結晶技術，創造了一種快速、經濟的方法，將二氧化碳轉化為合成燃料前驅物。

日本東北大學、北海道大學和AZUL能源公司的研究人員研發出一種高效方法，將二氧化碳（CO2）轉化為一氧化碳（CO）。一氧化碳是合成燃料的重要組成部分。此製程將轉換時間從24小時縮短至僅需15分鐘，並樹立了新的標竿。

「二氧化碳轉化為一氧化碳是目前應對氣候變遷的熱門話題，但傳統技術存在一些我們想要解決的重大缺陷，」東北大學WPI-AIMR的劉騰翼表示。 “這些材料價格昂貴、不穩定、選擇性有限，而且製備時間很長。在實際工業環境中使用它們並不可行。”

金屬酞菁晶體改質氣體擴散電極的製備方法，以及使用鈷酞菁（CoPc）晶體時的特性和性能。圖片來源：Hiroshi Yabu 等人。

為了滿足工業需求，研究人員探索了不同類型的酞菁（Pc），包括無金屬酞菁（H2Pc）、鐵酞菁（FePc）、鈷酞菁（CoPc）、鎳酞菁（NiPc）和銅酞菁（CuPc）作為潛在催化劑。他們採用簡單的噴塗技術將這些化合物應用於氣體擴散電極，直接在電極表面形成結晶層。其中，鈷酞菁（CoPc）是一種低成本的顏料和金屬絡合物，在將二氧化碳轉化為一氧化碳方面表現出最高的效率。

CoPc晶體改質氣體擴散電極的CO2-CO轉化性能與先前報告結果的比較。圖片來源：Hiroshi Yabu等人。

這種類似塗鴉的方法只需將催化劑噴塗在表面，即可將典型的處理時間縮短至僅15分鐘。傳統方法需要繁瑣的工藝，包括混合導電碳和黏合劑、乾燥以及超過24小時的熱處理。此外，在150 mA/cm²的電流密度下，新系統能夠維持144小時的穩定性能。

利用DigCat 資料庫（迄今為止最大的實驗電催化資料庫），研究人員證實他們的催化劑超越了所有先前報導的基於Pc 的催化劑。

“這不僅是迄今為止生產二氧化碳的最佳PC基催化劑，而且其反應速率和穩定性也成功超越了工業標準閾值，”劉教授說道，“這是有史以​​來第一個達到這一標準的催化劑。”

為了探討其優異性能背後的原因，研究團隊利用NanoTerasu設施的同步輻射進行了結構分析，並進行了理論計算。結果表明，結晶過程形成了緊密堆積的分子，從而促進了電子向表面的有效轉移。這些發現強調了直接結晶是製備用於CO₂電還原的金屬錯合物催化劑電極的有效策略。

CoPc晶體改質氣體擴散電極的耐久性評估。圖片來源：Hiroshi Yabu等人。

本研究開發的氣體擴散電極製造方法與二氧化碳電解技術相結合，為使用低成本的顏料基催化劑高效地從二氧化碳合成一氧化碳（CO，重要的合成燃料中間體）提供了一種有希望的途徑。

此方法透過提高能源效率並降低二氧化碳利用成本，解決了合成燃料生產中的一個關鍵瓶頸。因此，它作為下一代二氧化碳捕獲與利用(CCU) 技術具有巨大潛力。

編譯自/ ScitechDaily