“盐析”乙醇？奇思妙想推动人工光合系统实用化

乙醇由于其高能量密度和能量收益成为一种热门燃料，通常情况下由乙烯水合反应（化学方法）或糖发酵（生物方法）制备。此外，还有一种看起来更绿色更有吸引力的方法——利用二氧化碳为起始原料，利用人工光合系统（光电化学电池）制备乙醇。

这一光电化学方法一方面能支持未来的能源需求，另一方面又能减缓全球气候变暖（相关阅读：美国化学会C&EN：学会爱上CO2）。然而用这一方法制备乙醇仍存在一些挑战，包括产品选择性（产品包含一系列碳水化合物，而不是纯乙醇）、膜燃料交叉损失（乙醇渗透到电池其他区域，发生副反应），以及乙醇纯化的高成本（乙醇在含水电解质中溶解性很高）。

近期，美国加州大学伯克利分校的多相催化专家Alexis Bell和Meenesh Singh提出一个全新的概念，利用一种新型的人工光合系统将二氧化碳转化成高纯度的乙醇。该方法的关键在于利用“盐析”作用降低乙醇在电解质中的溶解度。研究人员使用含有过饱和碳酸铯的电解质，盐和水之间具有更强的吸引力，从而减弱乙醇与水之间的吸引力，随后形成乙醇微乳液，而微乳液可在液液萃取器中进行分离。

据估算，该系统的乙醇年产量为1527万加仑/公里2，这相当于整个加州地区工业乙醇生产能力的7%。

“盐在工业中被广泛用于分离水溶性有机混合物，”Bell解释道。“我们在人工光合作用系统中利用盐析效应，可以顺理成章地分离液体燃料，而无需高度复杂的膜。”

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这一过程的选择性也很高，需归功于多晶铜阴极；而膜燃料交叉损失的降低，则通过选择膜并降低醇溶解度来实现。通过将电池与萃取器相结合，同时在电路中泵送电解液，该设计集成了乙醇的生产和分离，理论上能得到纯度超过90 wt.%的乙醇。

“由于乙醇的高溶解度以及交叉渗透性，人工光合系统内从水中分离乙醇是一个巨大的挑战，”韩国庆北国立大学的光电能量转换专家Hyunwoong Park评论道。“如果经过实验证实，那么该方案将具有巨大潜力及高度实用性。”

在确定了该方案的可行性后，Bell下一步打算将其应用于气相反应器中。不过印度理工学院的电化学能量技术专家Balasubramanian Viswanathan说，还需要继续观察这一路线的性价比是否合理，但是，“无论如何，这一设计会对几乎所有的电化学能量转换领域的研究带来影响。”

1. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/EE/C5EE02783G    

2. http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/12/artificial-photosynthesis-ethanol-carbon-dioxide-fuel-production