美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ornl）化學(xué)家亞當(dāng)·羅蒂農(nóng)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，本來(lái)打算將溫室氣體的主要成分——二氧化碳催化成甲烷，結(jié)果在開(kāi)始催化反應(yīng)的第一個(gè)步驟，竟意外生成了乙醇，轉(zhuǎn)化效率還挺高，達(dá)到了63%。
消息發(fā)布后，多家國(guó)內(nèi)外媒體予以關(guān)注。這個(gè)技術(shù)是否像新聞標(biāo)題上看起來(lái)那么簡(jiǎn)單？其背后的創(chuàng)新點(diǎn)究竟何在？對(duì)改善環(huán)境和提高能源效率能有哪些幫助？
二氧化碳變酒精只需一步
在進(jìn)行電催化二氧化碳實(shí)驗(yàn)時(shí)，羅蒂農(nóng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了至少三個(gè)反應(yīng)步驟，希望將二氧化碳催化成甲烷等物質(zhì)。
實(shí)驗(yàn)的重要“道具”是1平方厘米的納米芯片催化劑，上面由嵌入碳尖峰中的含氮銅納米顆粒組成釘狀排列結(jié)構(gòu)，形成含有多個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)的紋理。
研究人員將納米芯片插入水中，同時(shí)注入二氧化碳，施加電壓后，芯片釘狀納米尖峰開(kāi)始進(jìn)行高效的化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果在第一個(gè)步驟結(jié)束時(shí)，“我們發(fā)現(xiàn)，竟然制造出了杜松子酒的成分——乙醇。”
乙醇，就是我們俗稱的酒精，在燃燒時(shí)會(huì)變成二氧化碳和水?，F(xiàn)在，科學(xué)家好像只用一步，就逆轉(zhuǎn)了乙醇燃燒的復(fù)雜過(guò)程！
“偶然”源自扎實(shí)研究積累
ornl官方網(wǎng)站近日在重點(diǎn)介紹這項(xiàng)突破性成就時(shí)，提到了“催化科學(xué)”和“納米制造”兩個(gè)關(guān)鍵詞。
羅蒂農(nóng)在接受美國(guó)著名的《大眾機(jī)械》雜志采訪時(shí)表示，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是政府資助的研究機(jī)構(gòu)，“我們的主要研究方向是納米技術(shù)，而我個(gè)人側(cè)重于催化技術(shù)，特別是用電催化來(lái)控制化學(xué)反應(yīng)?！?/DIV>
通常而言，用單一的催化劑把二氧化碳催化成其他物質(zhì)是非常困難的。羅蒂農(nóng)選擇了將擅長(zhǎng)的電化學(xué)方法應(yīng)用于催化實(shí)驗(yàn)。此外，這項(xiàng)成果的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于催化劑的納米紋理，正是這種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，為催化反應(yīng)提供了高效率反應(yīng)場(chǎng)所。
值得一提的是，這種僅用普通碳、銅材料進(jìn)行催化的方法，避免了使用稀有金屬鉑等昂貴材料帶來(lái)的工業(yè)成本壓力。更重要的是，它在室溫下的水中操作即可，方便大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。
目前，研究人員計(jì)劃改進(jìn)他們的方法，以進(jìn)一步研究這種催化劑的性質(zhì)和行為。
有效提高清潔能源利用率
為什么會(huì)選擇二氧化碳作為催化對(duì)象？羅蒂農(nóng)表示：“用
電力捕獲二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為有用的東西，是一種很重要的研究方向，全世界都在做這類研究?！?/DIV>
二氧化碳是燃燒產(chǎn)生的廢物，這次偶然發(fā)現(xiàn)的可逆催化反應(yīng)，不僅可以“變廢為寶”，其效率也高得驚人。
新聞通告中提到的63%的產(chǎn)出率，在羅蒂農(nóng)看來(lái)，是一種容易讓人理解的解釋方法——推動(dòng)100個(gè)電子穿過(guò)催化劑，其中63個(gè)最終以乙醇形式存儲(chǔ)下來(lái)。另一種對(duì)“高效”的解釋更“刺激”——從二氧化碳的角度看，如果拿100個(gè)二氧化碳分子去參與反應(yīng)，其中84個(gè)最終變成乙醇，其余的變成一氧化碳、甲酸或甲烷?！?3%也好，84%也好，催化收益率是比較高的，我們對(duì)此感到很滿意”。
有鑒于此，研究人員認(rèn)為，“該方法可擴(kuò)大用于工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，如存儲(chǔ)風(fēng)力、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電站產(chǎn)生的過(guò)量電力”。不能并入電網(wǎng)的電力，可以用來(lái)催化二氧化碳，以液體乙醇的方式將能源存儲(chǔ)下來(lái)。
“這是一個(gè)提高清潔能源利用效率的好辦法”，羅蒂農(nóng)表示，“如果考慮閉合碳循環(huán)和由此衍生的
碳交易，該技術(shù)也具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力?！?/DIV>
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