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铜催化剂促成人工光合作用,碳基燃料的绿色未来?

日期:2018-12-27    来源:每日科学

国际太阳能光伏网

2018
12/27
10:38
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关键词: 光合作用 绿色能源 太阳能技术 太阳能技术

  伯克利实验室(Berkeley Lab)和人工光合作用联合中心(Joint Center for Artificial Photosynthesis)的研究人员已经证明,将二氧化碳回收转变为有价值的化学物质(如乙烯和丙醇),以及燃料(如乙醇),既经济又高效——所有这些都可以通过在单一铜催化剂上的特定产品活性点来实现。
 
  这项研究发表在12月17日出版的《自然催化》杂志上。
 
  几十年,科学家们一直在寻找有效的方法来消除空气中多余的二氧化碳排放,并将它们循环利用成可再生燃料等产品。但是将二氧化碳转化为有用的化学物质的过程是冗长的、昂贵的、浪费的,因此在经济上和环境上都不可行。
 
  行动的方向
 
  JCAP的研究员乔尔阿格(Joel Ager)领导了这项研究,他说,当你拿一块铜金属时,它可能摸起来很光滑,但在微观层面上,表面实际上是凹凸不平的,这些凹凸就是科学家们所说的活性点。阿格是伯克利实验室材料科学部的科学家,也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的副教授。
 
  这些活性点是电催化的神奇之处:铜表面的电子与二氧化碳和水进行一系列的相互作用,将它们转化为乙醇燃料等产品;乙烯,塑料袋的前身;丙醇,一种在制药工业中常用的物质。
 
  自从1980年代,人们发现可以将碳转化为各种有用的产品,人们总是认为其活跃反应并非针对于特定于产品——换句话说,你可以使用铜作为催化剂制造乙醇、乙烯、丙醇、或其他碳基化学品,但是你必须通过很多分离的步骤,穿过中间阶段形成的残余化学物质才能达到你的目的地——最终化学产物。
 
  绿色或可持续化学的目标是在化学合成过程中得到你想要的产品,阿格说。你不想花功夫把你不想要的东西和理想的产品分开,因为那样既昂贵又不环保。这种成本和浪费降低了碳基太阳能燃料的经济可行性。
 
  所以当阿格和合作者Yanwei Lum,他是加州大学伯克利分校的博士,共同研究时,阿格实验室的学生正在研究太阳能燃料项目的铜催化性能,他们想知道,如果像自然界中的光合作用一样,可以利用太阳能电池中的电子来驱动铜催化剂的特定活性点,是否可以制造碳基燃料或化学品,阿格说。
 
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  伯克利实验室和人工光合作用联合中心的研究人员已经证明,将二氧化碳循环利用转变为有价值的化学品(如乙烯和丙醇)以及乙醇等燃料中,既经济又高效 - 所有产品都可以通过单一铜催化剂上的特定产品活性点来实现。图片来源:Joel Ager和Yanwei Lum / Berkeley Lab
 
  通过护照追踪化学品来源
 
  以前的研究表明,氧化或生锈的铜是制造乙醇、乙烯和丙醇的优良催化剂。阿格说,研究人员推测,如果铜表面的活性点实际上是特定于产品的,他们可以通过碳同位素追踪这些化学物质的来源,就像护照上的戳记可以告诉我们去过哪些国家一样。
 
  阿格说:“当我们想到这个实验时,我们认为这是一个不太主流的想法,如果可以尝试一下,那真是太疯狂了。但我们不能抛弃这个想法,我们也认为它会起作用,因为我们以前对同位素的研究使我们能够发现新的反应途径。”
 
  所以在接下来的几个月里,Lum和阿格用碳的两种同位素——碳12和碳13——做了一系列的实验,作为护照上的印章。二氧化碳用碳12标记,一氧化碳——碳碳键形成的关键中间体——用碳13标记。根据他们的方法,研究人员推断,在一种产品中发现的碳-13与碳-12的比例将决定该化学产品源自哪个活性点。
 
  Lum进行了数十次实验,并在JCAP使用最先进的质谱和核磁共振(NMR)光谱分析了结果,他们发现其中三种产品——乙烯、乙醇和丙醇——具有不同的同位素特征,表明它们来自催化剂的不同位置。Lum说,这一发现激励了未来的工作,以分离和识别这些不同的活性点。Lum说,将这些特定于产品的活性点放入单一催化剂中,总有一天会非常高效和有选择性产生化学产品。
 
  化工制造业将迎来更加绿色的日子
 
  研究人员的新方法——阿格描述为一个简单的化学环境和经济转折——是他们期望中的绿色化学制造的新开端,其中太阳能电池可以将电子馈送到铜催化剂上的特定活性点,以优化乙醇燃料的生产。
 
  他说,也许有一天,这项技术可以使类似“日光精炼厂”的设施成为可能,由太阳能驱动,将二氧化碳从大气中提取出来,创造出一系列有用的产品。
 
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