幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在尋找有效的方法來(lái)消除空氣中過(guò)量的二氧化碳排放，并將其再循環(huán)到可再生燃料等產(chǎn)品中。但是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品的過(guò)程是繁瑣，昂貴和浪費(fèi)的，因此在經(jīng)濟(jì)上或環(huán)境上不可行。

現(xiàn)在，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)和人工光合作用聯(lián)合中心(JCAP)的研究人員發(fā)現(xiàn)，將二氧化碳再循環(huán)成有價(jià)值的化學(xué)品和燃料可以既經(jīng)濟(jì)又高效-所有這一切都通過(guò)單一的銅催化劑。

這項(xiàng)工作發(fā)表在12月17日的“自然催化”雜志上。

采取行動(dòng)的地方：產(chǎn)品特定的活動(dòng)網(wǎng)站

當(dāng)你拿一塊銅金屬時(shí)，觸摸可能會(huì)感覺(jué)光滑，但在微觀層面，表面實(shí)際上是凹凸不平的-這些凸起是科學(xué)家稱之為“活動(dòng)部位”，JCAP研究員JoelAger說(shuō)。誰(shuí)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。Ager是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的一名科學(xué)家科學(xué)家，也是加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系的兼職教授。

這些活性位點(diǎn)是電催化發(fā)生的魔力所在：來(lái)自銅表面的電子與二氧化碳和水在一系列步驟中相互作用，將它們轉(zhuǎn)化為乙醇燃料等產(chǎn)品;乙烯，塑料袋的前體;和丙醇，一種常用于制藥工業(yè)的酒精。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，當(dāng)銅被發(fā)現(xiàn)將碳轉(zhuǎn)化為各種有用產(chǎn)品的天賦時(shí)，人們總是認(rèn)為它的活性位點(diǎn)不是產(chǎn)品特定的-換句話說(shuō)，你可以用銅作為制造乙醇，乙烯的催化劑，丙醇或其他一些碳基化學(xué)??品，但在到達(dá)最終目的地之前，您必須經(jīng)過(guò)許多步驟來(lái)分離在化學(xué)反應(yīng)的中間階段形成的不需要的殘留化學(xué)品-化學(xué)品最終產(chǎn)品。

“'綠色'或可持續(xù)化學(xué)的目標(biāo)是在化學(xué)合成過(guò)程中獲得您想要的產(chǎn)品，”Ager說(shuō)。“你不想把你不想要的東西從理想的產(chǎn)品中分離出來(lái)，因?yàn)槟鞘前嘿F且對(duì)環(huán)境不利的。而且這種費(fèi)用和浪費(fèi)降低了碳基太陽(yáng)能燃料的經(jīng)濟(jì)可行性。”

所以當(dāng)Ager和合著者YanweiLum，他是加州大學(xué)伯克利分校的博士。研究期間，Ager實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生正在研究銅在太陽(yáng)能燃料項(xiàng)目中的催化性能，他們想知道，“如果像自然界中的光合作用一樣，我們可以利用太陽(yáng)能電池中的電子來(lái)驅(qū)動(dòng)銅催化劑的特定活性位點(diǎn)制造碳基燃料或化學(xué)品的純產(chǎn)品流?“阿格說(shuō)。

通過(guò)“護(hù)照”追蹤化學(xué)品的來(lái)源

以前的研究表明，“氧化”或生銹的銅是制造乙醇，乙烯和丙醇的優(yōu)良催化劑。研究人員推測(cè)，如果銅中的活性位點(diǎn)實(shí)際上是產(chǎn)品特定的，它們可以通過(guò)碳同位素追蹤化學(xué)品的來(lái)源，“就像帶有郵票的護(hù)照告訴我們他們?cè)L問(wèn)過(guò)的國(guó)家，”Ager說(shuō)。

“當(dāng)我們想到這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們認(rèn)為這是一個(gè)非常明顯的想法，嘗試它會(huì)很瘋狂，”Ager說(shuō)。“但我們不能放過(guò)它，因?yàn)槲覀円舱J(rèn)為它會(huì)起作用，因?yàn)槲覀冎皩?duì)同位素的研究使我們能夠發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)途徑。”

因此，在接下來(lái)的幾個(gè)月里，Lum和Ager使用兩種碳，碳-12和碳-13同位素作為“護(hù)照章”進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。二氧化碳用碳-12標(biāo)記，一氧化碳-碳-碳鍵形成的關(guān)鍵中間體-用碳-13標(biāo)記。根據(jù)他們的方法，研究人員推斷，產(chǎn)品中碳-13與碳-12的比例將決定化學(xué)產(chǎn)品來(lái)自哪個(gè)活性部位。

在Lum進(jìn)行了數(shù)十次實(shí)驗(yàn)并在JCAP上使用最先進(jìn)的質(zhì)譜和核磁共振(核磁共振)光譜分析結(jié)果后，他們發(fā)現(xiàn)三種產(chǎn)品-乙烯，乙醇和丙醇-不同的同位素特征表明它們來(lái)自催化劑上的不同位點(diǎn)。“這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了未來(lái)的工作，以隔離和識(shí)別這些不同的網(wǎng)站，”Lum說(shuō)。“將這些產(chǎn)品特定的地點(diǎn)放入單一的催化劑中，有朝一日可以產(chǎn)生非常有效和選擇性的化學(xué)產(chǎn)品，”Lum說(shuō)。

化工生產(chǎn)的未來(lái)日子更加輝煌

研究人員的新方法--Ager所描述的“具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)扭曲的直接化學(xué)”-是他們希望可能成為綠色化學(xué)制造新起點(diǎn)的開(kāi)始，其中太陽(yáng)能電池可以將電子饋送到特定的活性物質(zhì)銅催化劑中的位點(diǎn)以優(yōu)化乙醇燃料的生產(chǎn)。

“或許有一天，這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們有可能擁有像煉油廠這樣的東西，但是在太陽(yáng)的驅(qū)動(dòng)下，從大氣中吸收二氧化碳，并創(chuàng)造出一系列有用的產(chǎn)品，”他說(shuō)。