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在對(duì)未來可持續(xù)燃料和化學(xué)品生產(chǎn)的設(shè)想中，污水、廚余和木屑等少量生物質(zhì)的儲(chǔ)存往往被忽視。其原因是將這些材料運(yùn)送到大規(guī)模的集中式生物精煉廠所需要的能源比它們生產(chǎn)的能源還要多。然而，這些材料中有足夠的碳滯留，理論上可以提供美國運(yùn)輸燃料需求的25%。
由太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新的評(píng)論提供了一個(gè)捕獲這些未使用材料的解決方案：位于廢物源附近的迷你煉油廠，以及利用可再生能源驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)還原反應(yīng)處理這些看似難以被利用的物質(zhì)。
在最近發(fā)表在《化學(xué)評(píng)論》上的論文中，研究人員從100多年的化學(xué)理論中收集了迷你煉油廠加工工業(yè)物質(zhì)的高效部分所需的理論、材料和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的信息。在過去的四年里，該計(jì)劃一直在研究功能性迷你煉油廠所需的基礎(chǔ)電化學(xué)、催化劑設(shè)計(jì)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)。
將污水、廚余和植物廢棄物轉(zhuǎn)化為燃料的挑戰(zhàn)在于必要的分子轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化的第一步是在高溫下分解生物質(zhì)，以產(chǎn)生粗制的生物油。這種油含有醛、酮、酯、酸和酚等分子，其中含有許多氧原子。然而，燃料是由各種碳?xì)浠衔锓肿咏M成的，這些碳?xì)浠衔锓肿雍械臍浔妊醵?。向富含氧的分子中添加氫氣需要進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，稱為還原反應(yīng)。為了在生物油上進(jìn)行這些反應(yīng)，現(xiàn)有的工業(yè)工藝在高溫高壓下用氫氣轟擊生物原油。
在大范圍內(nèi)，這些反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量被收集并重新用于其他精煉步驟。這最大限度地提高了該工藝的總體能源效率。然而，在小規(guī)模的情況下，這些熱量就會(huì)流失，無法再利用。這意味著需要采用其他的還原反應(yīng)方法來對(duì)小規(guī)模的廢物進(jìn)行局部處理。
眾所周知的電化學(xué)還原反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能小型精煉廠所需的溫和條件的一條途徑。在這些反應(yīng)中，電力和金屬催化劑，而不是氫氣和熱量推動(dòng)了分子轉(zhuǎn)化?；旌衔镏械钠渌肿右部梢酝瑫r(shí)被清除，在反應(yīng)過程中提供氫原子。
與使用氫氣的熱化學(xué)還原相比，生物油中特定分子的電化學(xué)還原可以在不提高反應(yīng)溫度的情況下更快地進(jìn)行，并產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。這意味著在以后的生產(chǎn)過程中需要更少的凈化步驟，從而提高了整個(gè)過程的能源效率。
電化學(xué)轉(zhuǎn)化所需的基本電化學(xué)已為人所知數(shù)百年。然而，大多數(shù)工作都涉及到實(shí)驗(yàn)室對(duì)代表來自生物質(zhì)的分子的模型化合物的研究。在這篇綜述中，研究人員概述了現(xiàn)有的信息--仍然需要將這些反應(yīng)搬出實(shí)驗(yàn)室。這些信息包括研究開發(fā)能夠處理生物油中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜分子混合物的新催化劑，以及電化學(xué)分析以開發(fā)節(jié)能工藝。
PNNL的 "化學(xué)轉(zhuǎn)化計(jì)劃 "為推進(jìn)這項(xiàng)工作提供了一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼘⒕哂写呋瘜I(yè)知識(shí)的研究人員與擅長電化學(xué)的研究人員結(jié)合在一起。這些不同的視角共同帶來了有關(guān)指導(dǎo)電催化反應(yīng)每一步的基本原理的知識(shí)。然后，研究人員可以在這個(gè)廣泛的基礎(chǔ)上推動(dòng)現(xiàn)有科學(xué)向應(yīng)用發(fā)展，并將特定反應(yīng)與特定的生產(chǎn)步驟相匹配。
(原標(biāo)題：研究人員通過改進(jìn)電化學(xué)還原技術(shù)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源生產(chǎn))
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