利用电力将二氧化碳转化为燃料和化学品，也称为二氧化碳的电化学转化，是一种很有前途的减排方法。这一过程使我们能够利用从工业和大气中捕获的碳，并将其转化为我们通常从化石燃料中获取的资源。
为了推进正在进行的高效电化学转化研究，同志社大学的科学家介绍了一种经济有效的方法，可以从二氧化碳中生产有价值的碳氢化合物。这项研究发表在《ElectrochimicaActa》杂志上。
研究小组由后藤卓也教授领导，成员包括理工学院的野崎佐耶女士和哈里斯科学研究所的铃木裕太博士，他们利用含有金属氢氧化物的离子液体作为电解质，在碱性银(Ag)电极上生产了乙烯和丙烷。
Goto教授表示：“大多数关于使用室温液体电解质进行CO2电解的研究都集中在电极的催化性能上。在这项开创性的研究中，我们专注于电解质，并成功地在简单的金属电极上产生了有价值的碳氢化合物气体。”
离子液体为CO2的电化学还原提供了独特的优势。它们可在很宽的电压范围内工作而不会分解，不易燃，沸点高。这种稳定性使电解质能够承受放热CO2还原过程中产生的高温。
在他们的研究中，研究人员研究了以N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)四氟硼酸铵(DEME-BF4)为电解质，CO2和水的电化学转化。
DEME-BF4电解质为最大程度地减少CO2提供了最佳条件。DEME+离子可增强CO2的溶解度，从而使更多的CO2分子参与反应。此外，由于其亲水性，通过将电解质与水混合，可以轻松提供将CO2还原为碳氢化合物所需的氢离子。
研究人员发现，通过在电解质中添加含有金属氢氧化物(如氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化钠(NaOH)和氢氧化铯(CsOH))的水溶液，可以提高二氧化碳向碳氢化合物的电化学转化率。
离子液体中的氢氧化物可以与CO2反应生成碳酸氢盐(HCO3−)和碳酸盐(CO32−)，进一步提高了CO2参与电化学反应的可用性。
在CO2气氛下进行室温电解(2或25°C)条件下，研究人员成功将CO2还原为乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、丙烯(C3H6)和丙烷(C3H8)。
他们使用含有Ca(OH)2的水混合DEME-BF4电解质，使每种产品都实现了最高的电流效率，丙烷效率高达11.3%，乙烯效率高达6.49%。这一效率比其他金属氢氧化物的效率高出1,000多倍。
用拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)计算解释了这种高效率的原因。这些分析表明，当CO2与电解质中的OH-离子相互作用时形成的碳酸氢根离子与电解质中的DEME+和BF4-离子相互作用形成稳定的结构[DEME+-BF4−-HCO3−-Ca2+]。
然后，CO2和HCO3-物质吸附到电极表面，形成吸附物质CO−ads。吸附的CO-离子然后与电解质中的Ca2+离子强烈相互作用，形成两种不同的中间结构：一种结构A，由一个Ca2+离子与吸附在三个Ag原子上的两个CO−离子配位组成，另一种结构B，其中Ca2+离子与吸附在两个Ag原子上的两个CO−离子配位。
与Ca2+离子的相互作用至关重要，因为它增加了吸附物质的稳定性，使得后续的电化学反应成为可能。
在这些结构中，研究人员认为结构B更稳定，是乙烯的首选途径，而结构A则导致丙烷的生成。
Goto教授说：“我们证明了调整电解质可以导致本体溶液中以及电极/离子液体电解质界面处CO2相变的分子水平变化，并提出了一种能够合成C3等独特碳氢化合物的工艺。”
这些发现揭示了离子液体电解质和金属电极界面上二氧化碳转化的过程，例如钙离子的作用。这些见解有助于开发电解质，以便高效地从二氧化碳中生产有用的碳氢化合物。
Goto教授总结道：“这项研究揭示的从二氧化碳分解到合成有用碳氢化合物的新路线的物理化学知识将有助于推进二氧化碳利用技术并促进材料科学的学术进步。”
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