幾十年來，科學(xué)家一直在尋找有效的方法來消除空氣中過量的二氧化碳排放，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，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(伯克利實(shí)驗室)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 - 所有這一切都通過單一的銅催化劑。
這項工作發(fā)表在12月17日的“ 自然催化 ”雜志上。
行動的地方：產(chǎn)品特定的活動站點(diǎn)
當(dāng)你拿一塊銅金屬時，它可能會感覺光滑，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“活動部位”，JCAP的研究員Joel Ager說。誰領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。Ager是伯克利實(shí)驗室材料科學(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，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，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，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)過許多步驟來分離在化學(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)合成過程中獲得您想要的產(chǎn)品，”Ager說。“你不想把你不想要的東西從理想的產(chǎn)品中分離出來，因為那是昂貴且對環(huán)境不利的。而且這種費(fèi)用和浪費(fèi)降低了碳基太陽能燃料的經(jīng)濟(jì)可行性。”
所以當(dāng)Ager和合著者Yanwei Lum，他是加州大學(xué)伯克利分校的博士。研究期間，Ager實(shí)驗室的學(xué)生正在研究銅在太陽能燃料項目中的催化性能，他們想知道，“如果像自然界中的光合作用一樣，我們可以利用太陽能電池中的電子來驅(qū)動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。
通過“護(hù)照”追蹤化學(xué)品的來源
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。研究人員推測，如果銅中的活性位點(diǎn)實(shí)際上是產(chǎn)品特定的，它們可以通過碳同位素追蹤化學(xué)品的來源，“就像帶有郵票的護(hù)照告訴我們他們訪問過的國家，”Ager說。
“當(dāng)我們想到這個實(shí)驗時，我們認(rèn)為這是一個非常明顯的想法，嘗試它會很瘋狂，”Ager說。“但我們不能放過它，因為我們也認(rèn)為它會起作用，因為我們先前對同位素的研究使我們能夠發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)途徑。”
因此，在接下來的幾個月里，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。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)品來自哪些活性部位。
在Lum進(jìn)行了數(shù)十次實(shí)驗并在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自催化劑上的不同位點(diǎn)。“這一發(fā)現(xiàn)推動了未來的工作，以隔離和識別這些不同的網(wǎng)站，”Lum說。“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。
化工生產(chǎn)的未來日子更加輝煌
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)的開始，其中太陽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)。
“也許有一天，這項技術(shù)可以讓我們有可能擁有像煉油廠這樣的東西，但是在太陽的驅(qū)動下，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。