數百年來,化石燃料一直是人類活動和工業生産的主要能源。随着人類社會的發展,化石能源的減少和二氧化碳濃度的增加引起了人們的極大關注。例如,能源危機、溫室效應和海洋酸化是人類面臨的一些主要問題。
将二氧化碳轉化為碳氫化合物燃料被認為是一種理想的解決方案,既能解決環境問題,又能解決能源消耗的高要求。将二氧化碳轉化為有機燃料的方法多種多樣,如光催化還原、電催化還原、生物轉化、加氫和幹燥重整等。
然而,二氧化碳加氫生成甲醇的工藝需要較高的溫度和較高的壓力,這裡的溫度範圍為200-250℃,而壓力為5-10 MPa,這會大大限制甲醇的産率。實際上,二氧化碳的光催化還原還可以在溫和的溫度和壓力下進行,但在黑暗中就不能工作了。
溫度變化是我們日常生活中經常出現的現象,在溫度變化過程中獲取如此豐富的能源具有重要意義。這種想法是合理的,因為熱釋電材料可以通過重複冷卻或加熱過程将熱能轉化為電能。熱釋電材料可以在溫度變化時産生正電荷和負電荷。熱釋電過程産生的遊離電荷可應用于染料分解和水分解等催化過程。
理論計算表明,在理想狀态下,熱電驅動的能量轉換效率可達84-92%,遠高于光伏能量轉換效率的20%。然而,據我們所知,國外還沒有關于利用熱釋電材料從溫度變化中收集能量來減少二氧化碳的報道。
現在,我國科學家通過熱釋電催化,在溫度變化低于100°C的情況下,将空氣中的水和二氧化碳還原成甲醇。對鐵電體的催化性能的研究已有70年的曆史。例如,鐵電體極化産生的内部場可以分離電子和空穴,從而提高催化效率。鐵電極化會影響分子在材料表面的吸附和解吸。衆所周知,所有鐵電材料都是熱釋電材料。鎢酸铋是铋層結構Aurivillius相中最簡單的一種,具有良好的鐵電性和熱釋電性。
研究人員使用了層狀鈣钛礦鎢酸铋納米闆,它可以從溫度變化中獲取熱能,在15°C至70°C的溫度下驅動熱釋電催化二氧化碳還原成燃料甲醇。結果表明,經過20個循環的變溫處理後,甲醇的收率可達55.0μmol/g。這種高效、經濟、環保的熱釋電催化方法,可能使科學家在未來利用每天的溫度變化來制造甲醇。這一研究已經發表在《自然通訊》雜志上。
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