二氧化碳回收轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的化學(xué)物質(zhì)

太陽能電池處處可見，但是它的轉(zhuǎn)換效率又不是很高，需要科研人員不斷攻克相關(guān)技術(shù)，伯克利實驗室(Berkeley Lab)和人工光合作用聯(lián)合中心(Joint Center for Artificial Photosynthesis)的研究人員已經(jīng)證明，將二氧化碳回收轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的化學(xué)物質(zhì)(如乙烯和丙醇)，以及燃料(如乙醇)，既經(jīng)濟(jì)又高效——所有這些都可以通過在單一銅催化劑上的特定產(chǎn)品活性點來實現(xiàn)。

某太陽能電池

幾十年，科學(xué)家們一直在尋找有效的方法來消除空氣中多余的二氧化碳排放，并將它們循環(huán)利用成可再生燃料等產(chǎn)品。但是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)物質(zhì)的過程是冗長的、昂貴的、浪費的，因此在經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上都不可行。

JCAP的研究員喬爾阿格(Joel Ager)領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，他說，當(dāng)你拿一塊銅金屬時，它可能摸起來很光滑，但在微觀層面上，表面實際上是凹凸不平的，這些凹凸就是科學(xué)家們所說的活性點。阿格是伯克利實驗室材料科學(xué)部的科學(xué)家，也是加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系的副教授。

這些活性點是電催化的神奇之處：銅表面的電子與二氧化碳和水進(jìn)行一系列的相互作用，將它們轉(zhuǎn)化為乙醇燃料等產(chǎn)品;乙烯，塑料袋的前身;丙醇，一種在制藥工業(yè)中常用的物質(zhì)。

自從1980年代，人們發(fā)現(xiàn)可以將碳轉(zhuǎn)化為各種有用的產(chǎn)品，人們總是認(rèn)為其活躍反應(yīng)并非針對于特定于產(chǎn)品——換句話說，你可以使用銅作為催化劑制造乙醇、乙烯、丙醇、或其他碳基化學(xué)品，但是你必須通過很多分離的步驟，穿過中間階段形成的殘余化學(xué)物質(zhì)才能達(dá)到你的目的地——最終化學(xué)產(chǎn)物。

綠色或可持續(xù)化學(xué)的目標(biāo)是在化學(xué)合成過程中得到你想要的產(chǎn)品，阿格說。你不想花功夫把你不想要的東西和理想的產(chǎn)品分開，因為那樣既昂貴又不環(huán)保。這種成本和浪費降低了碳基太陽能燃料的經(jīng)濟(jì)可行性。

所以當(dāng)阿格和合作者Yanwei Lum，他是加州大學(xué)伯克利分校的博士，共同研究時，阿格實驗室的學(xué)生正在研究太陽能燃料項目的銅催化性能，他們想知道，如果像自然界中的光合作用一樣，可以利用太陽能電池中的電子來驅(qū)動銅催化劑的特定活性點，是否可以制造碳基燃料或化學(xué)品，阿格說。

伯克利實驗室和人工光合作用聯(lián)合中心的研究人員已經(jīng)證明，將二氧化碳循環(huán)利用轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的化學(xué)品(如乙烯和丙醇)以及乙醇等燃料中，既經(jīng)濟(jì)又高效 - 所有產(chǎn)品都可以通過單一銅催化劑上的特定產(chǎn)品活性點來實現(xiàn)。圖片來源：Joel Ager和Yanwei Lum / Berkeley Lab

通過護(hù)照追蹤化學(xué)品來源

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。阿格說，研究人員推測，如果銅表面的活性點實際上是特定于產(chǎn)品的，他們可以通過碳同位素追蹤這些化學(xué)物質(zhì)的來源，就像護(hù)照上的戳記可以告訴我們?nèi)ミ^哪些國家一樣。

阿格說：“當(dāng)我們想到這個實驗時，我們認(rèn)為這是一個不太主流的想法，如果可以嘗試一下，那真是太瘋狂了。但我們不能拋棄這個想法，我們也認(rèn)為它會起作用，因為我們以前對同位素的研究使我們能夠發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)途徑。”

所以在接下來的幾個月里，Lum和阿格用碳的兩種同位素——碳12和碳13——做了一系列的實驗，作為護(hù)照上的印章。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，在一種產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的碳-13與碳-12的比例將決定該化學(xué)產(chǎn)品源自哪個活性點。

Lum進(jìn)行了數(shù)十次實驗，并在JCAP使用最先進(jìn)的質(zhì)譜和核磁共振(NMR)光譜分析了結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)其中三種產(chǎn)品——乙烯、乙醇和丙醇——具有不同的同位素特征，表明它們來自催化劑的不同位置。Lum說，這一發(fā)現(xiàn)激勵了未來的工作，以分離和識別這些不同的活性點。Lum說，將這些特定于產(chǎn)品的活性點放入單一催化劑中，總有一天會非常高效和有選擇性產(chǎn)生化學(xué)產(chǎn)品。

化工制造業(yè)將迎來更加綠色的日子

研究人員的新方法——阿格描述為一個簡單的化學(xué)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)折——是他們期望中的綠色化學(xué)制造的新開端，其中太陽能電池可以將電子饋送到銅催化劑上的特定活性點，以優(yōu)化乙醇燃料的生產(chǎn)。

他說，也許有一天，這項技術(shù)可以使類似“日光精煉廠”的設(shè)施成為可能，由太陽能驅(qū)動，將二氧化碳從大氣中提取出來，創(chuàng)造出一系列有用的產(chǎn)品。相信再過幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。