幾十年來，科學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)化為有用的化學品的過程是繁瑣，昂貴和浪費的，因此在經(jīng)濟上或環(huán)境上不可行。

現(xiàn)在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)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)成有價值的化學品和燃料可以既經(jīng)濟又高效-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。

采取行動的地方：產(chǎn)品特定的活動網(wǎng)站

當你拿一塊銅金屬時，觸摸可能會感覺光滑，但在微觀層面，表面實際上是凹凸不平的-這些凸起是科學家稱之為“活動部位”，JCAP研究員JoelAger說。誰領(lǐng)導了這項研究。Ager是伯克利實驗室材料科學部的一名科學家科學家，也是加州大學伯克利分校材料科學與工程系的兼職教授。

這些活性位點是電催化發(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80年代以來，當銅被發(fā)現(xiàn)將碳轉(zhuǎn)化為各種有用產(chǎn)品的天賦時，人們總是認為它的活性位點不是產(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??品，但在到達最終目的地之前，您必須經(jīng)過許多步驟來分離在化學反應的中間階段形成的不需要的殘留化學品-化學品最終產(chǎn)品。

“'綠色'或可持續(xù)化學的目標是在化學合成過程中獲得您想要的產(chǎn)品，”Ager說?！澳悴幌氚涯悴幌胍臇|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。而且這種費用和浪費降低了碳基太陽能燃料的經(jīng)濟可行性?！?br/>
所以當Ager和合著者YanweiLum，他是加州大學伯克利分校的博士。研究期間，Ager實驗室的學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制造碳基燃料或化學品的純產(chǎn)品流?“阿格說。

通過“護照”追蹤化學品的來源

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實際上是產(chǎn)品特定的，它們可以通過碳同位素追蹤化學品的來源，“就像帶有郵票的護照告訴我們他們訪問過的國家，”Ager說。

“當我們想到這個實驗時，我們認為這是一個非常明顯的想法，嘗試它會很瘋狂，”Ager說?！暗覀儾荒芊胚^它，因為我們也認為它會起作用，因為我們之前對同位素的研究使我們能夠發(fā)現(xiàn)新的反應途徑。”

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“護照章”進行了一系列實驗。二氧化碳用碳-12標記，一氧化碳-碳-碳鍵形成的關(guān)鍵中間體-用碳-13標記。根據(jù)他們的方法，研究人員推斷，產(chǎn)品中碳-13與碳-12的比例將決定化學產(chǎn)品來自哪個活性部位。

在Lum進行了數(shù)十次實驗并在JCAP上使用最先進的質(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?！斑@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)濟扭曲的直接化學”-是他們希望可能成為綠色化學制造新起點的開始，其中太陽能電池可以將電子饋送到特定的活性物質(zhì)銅催化劑中的位點以優(yōu)化乙醇燃料的生產(chǎn)。

“或許有一天，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。