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在對未來可持續(xù)燃料和化學品生產(chǎn)的設想中，污水、廚余和木屑等少量生物質的儲存往往被忽視。其原因是將這些材料運送到大規(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輸燃料需求的25%。
由太平洋西北國家實驗室(PNNL)的研究人員領導的一項新的評論提供了一個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動的電化學還原反應處理這些看似難以被利用的物質。
在最近發(fā)表在《化學評論》上的論文中，研究人員從100多年的化學理論中收集了迷你煉油廠加工工業(yè)物質的高效部分所需的理論、材料和反應器設計的信息。在過去的四年里，該計劃一直在研究功能性迷你煉油廠所需的基礎電化學、催化劑設計和反應器設計。
將污水、廚余和植物廢棄物轉化為燃料的挑戰(zhàn)在于必要的分子轉化。這種轉化的第一步是在高溫下分解生物質，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，燃料是由各種碳氫化合物分子組成的，這些碳氫化合物分子含有的氫比氧多。向富含氧的分子中添加氫氣需要進行化學轉化，稱為還原反應。為了在生物油上進行這些反應，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，這些熱量就會流失，無法再利用。這意味著需要采用其他的還原反應方法來對小規(guī)模的廢物進行局部處理。
眾所周知的電化學還原反應是實現(xiàn)節(jié)能小型精煉廠所需的溫和條件的一條途徑。在這些反應中，電力和金屬催化劑，而不是氫氣和熱量推動了分子轉化?；旌衔镏械钠渌肿右部梢酝瑫r被清除，在反應過程中提供氫原子。
與使用氫氣的熱化學還原相比，生物油中特定分子的電化學還原可以在不提高反應溫度的情況下更快地進行，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，從而提高了整個過程的能源效率。
電化學轉化所需的基本電化學已為人所知數(shù)百年。然而，大多數(shù)工作都涉及到實驗室對代表來自生物質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搬出實驗室。這些信息包括研究開發(fā)能夠處理生物油中發(fā)現(xiàn)的復雜分子混合物的新催化劑，以及電化學分析以開發(fā)節(jié)能工藝。
PNNL的 "化學轉化計劃 "為推進這項工作提供了一個難得的機會，因為它將具有催化專業(yè)知識的研究人員與擅長電化學的研究人員結合在一起。這些不同的視角共同帶來了有關指導電催化反應每一步的基本原理的知識。然后，研究人員可以在這個廣泛的基礎上推動現(xiàn)有科學向應用發(fā)展，并將特定反應與特定的生產(chǎn)步驟相匹配。
(原標題：研究人員通過改進電化學還原技術實現(xiàn)可持續(xù)能源生產(chǎn))
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