将二氧化碳转化为燃料或其他产品的努力大多未能成功。
据预测，此类过程有望大幅削减温室气体排放。
如今，麻省理工学院的研究人员已找出、量化并建模分析了这类转化系统性能不佳的一个主要原因。
他们还提出了今后实现成功转化的解决方案。
如果研究人员能够找到将二氧化碳通过化学方式转化为燃料或其他产品的方法，就可能大幅削减温室气体排放。但许多在实验室中看似前景可观的此类工艺，在扩大规模后并未达到预期效果，难以适用于发电厂或其他排放源。
如今，麻省理工学院的研究人员已找出、量化并建模分析了这类转化系统性能不佳的一个主要原因。问题在于，用于催化转化的电极旁边局部区域内的二氧化碳气体会耗尽。研究团队发现，只要按特定间隔脉冲式地通断电流，就能缓解这一问题，让气体有时间在电极附近重新积聚至所需浓度。
这项研究成果有望推动电化学二氧化碳转化系统所需各类材料和设计的开发，并于今日发表于期刊Langmuir。论文作者包括麻省理工学院博士后Álvaro Moreno Soto、研究生Jack Lake，以及机械工程学教授Kripa Varanasi。
二氧化碳转化面临的挑战
Varanasi表示：“我认为，减缓二氧化碳排放是我们这个时代的重要挑战之一。”该领域的许多研究都聚焦于碳捕集与封存，即将气体泵入某种深层地下储存库，或将其转化为石灰石等惰性固体。另一条颇具前景的路径，则是将这种气体转化为其他碳化合物，例如甲烷或乙醇，用作燃料；或转化为乙烯，作为生产有用聚合物的前体。
此类转化有多种方式，包括电化学、热催化、光热或光化学过程。Varanasi表示：“每一种方法都有问题或挑战。”他指出，热过程需要极高温度，且无法生产价值很高的化学品；光激活过程也面临这一挑战。他说：“效率始终是关键，也始终是个问题。”
研究团队重点关注电化学方法，目标是获得“含碳量更高的产物”——这类化合物含有更多碳原子，并且由于单位重量或体积所含能量较高，往往能成为价值更高的燃料。在这些反应中，最大的挑战是抑制同时发生的竞争反应，尤其是水分子分解为氧气和氢气的反应。
反应发生时，溶有二氧化碳的液态电解质流经带电的金属催化表面。但随着二氧化碳被转化，电解质流中会留下一个二氧化碳几乎已被耗尽的区域，因此该耗尽区内的反应会转而进行水分解。研究人员发现，这种不需要的反应会消耗能量，大幅降低整个转化过程的效率。
Varanasi表示：“有不少团队正在研究这一问题，也有许多催化剂可供使用。我认为，在所有这些情况下，氢气的同步生成都会成为瓶颈。”
研究人员发现，可以通过脉冲系统来应对这种耗尽：周期性地关闭电压、暂停反应，让二氧化碳有时间扩散回耗尽区并恢复至可用浓度，然后再恢复反应。
研究人员表示，团队常常找到有前景的催化剂材料，却没有让实验室测试持续足够长的时间，因而无法观察到这些耗尽效应；这也让他们在扩大系统规模时受阻。此外，催化剂附近的二氧化碳浓度决定了生成的产物。因此，二氧化碳耗尽还会改变产物组成，使过程变得不可靠。Varanasi说：“如果想要构建能在工业规模下运行的系统，就必须让系统长时间持续运行；同时，还必须避免这类会降低过程效率或可靠性的影响。”
了解二氧化碳耗尽现象
Lake表示，团队研究了三种不同的催化剂材料，包括铜，“我们确实着重确保自己理解并能够量化耗尽效应”。在这一过程中，他们找到了一种简单可靠的方法，可以通过测量系统电解质中不断变化的pH值（即酸度指标），实时监测转化过程的效率。
在测试中，他们使用了更先进的分析工具来表征反应产物，包括用气相色谱分析气态产物，以及用核磁共振表征系统中的液态产物。但分析结果显示，在运行过程中测量电极附近电解质的pH值，就足以衡量反应进行期间的效率。
Moreno Soto表示，这种实时、便捷地监测反应的能力，最终可能促成一个由机器学习方法优化的系统，通过持续反馈来控制目标化合物的生产速率。
研究人员表示，如今这一过程已得到理解和量化，或许可以开发其他缓解二氧化碳耗尽的方法，并利用他们的方法轻松测试这些方案。
Lake表示，这项研究表明，在这类电催化系统中，“无论使用什么催化剂材料”，都会受到“这一问题”的影响。如今，借助他们开发的模型，可以准确确定需要评估的时间范围，从而准确了解材料的整体效率，以及哪些系统运行方式能够最大限度地提升其效果。
这项研究通过麻省理工学院能源计划获得了壳牌公司的支持。
