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科学家开发了人工光合作用装置 以实现更环保的乙烯生产

2019-04-11 20:05:33来源:

来自新加坡国立大学(NUS)的一组科学家开发出一种原型装置,模拟自然光合作用,仅使用阳光,水和二氧化碳生产乙烯气体。使用良性化学品在室温和压力下生产乙烯的新方法可以按比例放大,以提供比目前乙烯生产方法更环保和可持续的替代方案。

由新加坡国立大学理学院和新加坡太阳能研究所(SERIS)化学系助理教授Jason Yeo Boon Siang领导的这一发展首次发表在ACS可持续化学与工程科学期刊上。

目前乙烯生产面临的挑战

乙烯是聚乙烯的组成部分,是一种重要的化学原料,大量生产用于制造塑料,橡胶和纤维。仅2015年就在全球生产了1.7亿多吨乙烯,预计到2020年全球需求量将超过2.2亿吨。

目前乙烯的工业生产采用750至950℃之间的化石燃料的蒸汽裂化,这消耗大量能量并对天然燃料资源造成压力。目前的方法还留下了显着的碳足迹,每生产一吨乙烯就会排放约2吨二氧化碳。因此,对更清洁和更可持续的乙烯生产方式的需求不断增长。

采用人工光合作用

认识到需要采用更环保的方法,助理教授和他的团队利用可再生能源生产乙烯。该团队于2015年首次设计了一种铜催化剂,可在电力供应的情况下从易得的水和二氧化碳中生成乙烯。随后将该铜催化剂引入人工光合作用系统中,仅使用太阳能将二氧化碳和水转化为乙烯。设计用于进行反应的原型装置基于太阳能产生的电子量实现了30%的乙烯法拉第效率。太阳能到乙烯的总能量效率也与植物的自然光合作用的能量效率水平相当。

“碳捕获是对抗人类驱动的气候变化的关键一步。大气中二氧化碳浓度不断增加,因为二氧化碳排放率超过了碳捕获量。这被认为是一个主要原因。全球变暖导致不良环境变化。我们的设备不仅采用完全可再生的能源,而且还将二氧化碳,一种温室气体转化为有用的东西。这可能会关闭碳循环,“杨教授说。

该团队还在原型设备中加入了电池,以实现稳定和连续的乙烯生产,这是人工光合作用系统的关键挑战。电池存储当天收集的多余太阳能,以便在夜间或弱光下为设备供电,确保操作不会因全天不同的日照量而中断。

本发明标志着实现可扩展的人工光合作用系统的重要里程碑,该系统用于清洁和可持续地生产重要的有机分子如乙烯。

展望未来,该团队将继续致力于他们的设备,以扩大乙烯的生产,并采用类似的系统来生产液体燃料,如乙醇和丙醇。