CO2 の大気レベル CO2 の人為的（または工業的）排出量は、2100 年までに 600 ppm 近くに達する可能性があると予測されています。 、主に化石ベースのシステムに由来し、地球温暖化、氷河の消耗、海洋酸性化、海面上昇、種の絶滅など、気候と環境に不可逆的な破壊的影響をもたらします.
これらの悪影響を軽減するために、各国政府はパリ協定に調印し、大気中の CO2 を削減しようとしています。 集中。しかし、2016 年に MIT は、2100 年の気温上昇の結果を予測するために統合地球システム モデリング (IGSM) を使用して、現在の状況ではパリ協定によって提供された目標を将来達成することはできないと結論付けました。排出削減とCO2除去の両立 雰囲気から十分な効果を生み出すことができます。つまり、両方の CO2 キャプチャと活用が必要です。
CO2 熱化学、電気化学、光化学、放射化学、生化学反応など、さまざまな方法で変換できます。これらの方法のうち、電極触媒CO2 削減は、再生可能エネルギー システムとのプロセスの互換性を考えると、環境への影響を最小限に抑えるという点で特に魅力的です。このプロセスにより、持続可能で低炭素フットプリントの化学が可能になります。このプロセスには多くの利点があります。 2) H2 を供給せずに処理を進めることができますが、H2 は水の電気分解によってその場で生成されます。 3) 断続的な電気を安定した化学エネルギーに変換し、価値のある製品を生成します。 4) 外部パラメータ (電極触媒、電解質、反応温度、印加電圧など) を調整することで生成物の分布を調整できます。
CO2 の変換 今日の「化石燃料経済」から持続可能な「CO2 経済。"最終生成物は、一酸化炭素、ギ酸、メタン、エタン、エチレン、エタノールなどを含む最大 20 種類です。 C1 に相対 製品、C2+ (2 つ以上の炭素原子を含む) 炭化水素と含酸素化合物は、より高いエネルギー密度を持っています。また、多くのマルチカーボン製品は需要の高い化学原料です。
ただし、効率的な CO2 には課題が残っています C2+ に削減 1) 望ましくない競合的 H2 による種 O削減; 2) 大きな C-C カップリング活性化障壁、および C-C 結合形成と C-O および C-H 結合形成との競合。 3) 必要な CO 中間体の形成と C2+ の形成との間の過電圧ギャップ 種族。反応中間体の吸着エネルギーは線形スケーリング関係に従うようです。触媒表面は、さらなる還元または C-C カップリングのために十分なカバレッジを可能にするために *CO 中間体を強く結合する必要がありますが、関連する活性化障壁も *CO 結合が強くなると増加します。これらのシナリオでは、適切な電子特性を持つ触媒を開発することが、選択的 C-C カップリングの 2 つの基準間の相互作用を最適化するために非常に重要になります。
協奏陽子電子 (H/e) を溶液から吸着種に移動させることにより、CO2 分子はカルボキシル中間体 *COOH に還元され、次に *CO と水分子に還元されます。 *CO は、さまざまな製品を生産するための共通の中間体であると提案されています。 C2+ の場合 製品、*CO 中間体からの 2 つの異なる反応メカニズムがあります。
「カルベン」メカニズムでは、*CO がプロトンおよび電子と結合して *C に変換され、*CH
C2+ について報告されたその他の主要ルート 製品の生成には、低過電圧での C-C カップリングの重要なステップである *CO 二量体化が含まれます。 *COが二量化して*C2を形成 O2 – (律速段階) その後、H2 を使用した Eley-Rideal (ER) 機構を介して *CO-COH に急速に水和されます。 O + e (H2 O広告 ) (図 2a)。 *CO-COH はビニルアルコールに還元されます (*CH2 =CHO)、選択性を決定する中間体。その後、経路はエチレン形成経路、エタン形成経路、およびエタノール形成経路に分岐します。 *CHO は *C2 よりも安定していると予測される場合があります。 O2- .これにより、*CO から *CHO への還元が行われ、これが *CO と反応して *COCHO が形成されます。 *COCHO は、エチレンとエタノールの間の選択性を決定する上で重要です。 *COCHOH の形成によりエチレンが生成され、*CH2 CHOH はエタノールを形成します。
C2+の形成を促進する C1以上の化合物 製品と H2 、吸着エネルギーと C2+ の表面被覆率を操作する試みを行う必要があります。 中間体。 *CO、*COH、*COCO などの重要な反応中間体の最大化と安定化 (結合エネルギーの最適化) は、表面修飾、構造調整、および相乗的/協調的な複数の活性部位を持つタンデム システムの作成によって強化する必要があります。酵素触媒作用に着想を得て、3 次元 (3D) 活性部位の構築により、スケーリング関係の制限が打破される可能性があります。 3D 多孔質空間内の近接した別個の活性中心は、中間体の異なる部位に結合することができ、それによって C2+ を促進します。 製品の生成。
