数十年来，科学家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，并将其循环利用为可再生燃料等产品。但是，将二氧化碳转化成有用的化学物质的过程是繁琐，昂贵和浪费的，因此在经济或环境上都不可行。

现在，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和人工光合作用联合中心（JCAP）研究人员的发现表明，将二氧化碳循环利用为有价值的化学物质和燃料可以是经济且高效的-全部通过单一铜催化剂。

这项工作发表在12月17日的《自然催化》杂志上。

采取行动的地方：产品特定的活动网站

JCAP研究人员乔尔·阿格（Joel Ager）说，当您拿一块铜金属时，它的触感可能很光滑，但是在微观层面上，它的表面实际上是凹凸不平的，这些凹凸被科学家称为“活性部位”。带领研究。Ager是伯克利实验室材料科学系的资深科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的兼职教授。

这些活性部位是发生电催化作用的地方：来自铜表面的电子通过一系列步骤与二氧化碳和水相互作用，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醇。

自1980年代以来，当发现铜将碳转化为各种有用产品的才华时，就一直认为铜的活性部位不是特定于产品的-换句话说，您可以使用铜作为催化剂来生产乙醇，乙烯，丙醇或其他一些基于碳的化学物质，但您必须经过很多步骤才能分离出化学反应中间阶段形成的不需要的残留化学物质，然后才能到达最终目的地–化学终产物。

“绿色或可持续化学的目标是在化学合成过程中获得所需的产品，” Ager说。“您不想将不需要的东西与理想的产品区分开，因为那是昂贵的且对环境不利。费用和浪费降低了碳基太阳能燃料的经济可行性。”

因此，当阿杰（Ager）和合著者林燕威（Lanwei Lum），他是加州大学伯克利分校的一名博士学位。研究期间，Ager实验室的一名学生正在研究铜对太阳能燃料项目的催化特性，他们想知道：“如果像自然界中的光合作用一样，我们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位点，该怎么办？使碳基燃料或化学制品的纯产品流？

通过其“护照”追踪化学品的起源 

先前的研究表明，“氧化”或生锈的铜是制造乙醇，乙烯和丙醇的出色催化剂。研究人员认为，如果铜中的活性位点实际上是特定于产品的，它们就可以通过碳同位素追踪化学物质的来源，“就像护照上印有邮票的邮票告诉我们所访问的国家一样，”阿杰说。

“当我们想到这个实验时，我们认为这是一个不太明显的想法，尝试这样做会很疯狂，” Ager说。“但是我们不能放弃它，因为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。”

因此，在接下来的几个月中，Lum和Ager使用了两种碳同位素（碳12和碳13）作为“护照邮票”进行了一系列实验。二氧化碳分别用碳12和一氧化碳标记碳-碳键形成过程中的中间产物-被标记为carbon-13。根据他们的方法，研究人员认为，产品中碳13与碳12的比率（“同位素特征”）将决定化学产品源自哪个活性位点。

在Lum进行了数十次实验并在JCAP上使用了最新的质谱和NMR（核磁共振）光谱分析结果之后，他们发现乙烯，乙醇和丙醇这三种产品的同位素不同签名表明它们来自催化剂上的不同位置。Lum说：“这一发现激发了未来的工作来隔离和识别这些不同的站点。” “有一天，将这些特定于产品的位点放入单一催化剂中，可能会产生非常高效和选择性的化学产品。”

化工制造的未来更环保

研究人员的新方法学-被阿杰尔（Ager）描述为“具有环境和经济意义的简单化学反应”-是他们希望可以成为绿色化学制造的新起点，其中太阳能电池可以将电子输送到铜催化剂内的特定活性位点，从而优化乙醇燃料的生产。

他说：“也许有一天，这项技术可以使像炼油厂那样的东西成为可能，但是它依靠太阳，将二氧化碳从大气中带走，并产生有用的产品流。”

在 联合中心人工光合作用 是美国能源部能源创新中心。

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

原文链接https://newscenter.lbl.gov/2018/12/17/carbon-fuels-get-greener-for-renewable-energy/