几十年来，科学家一直在寻找有效的方法来消除空气中过量的二氧化碳排放，并将其再循环到可再生燃料等产品中。但是将二氧化碳转化为有用的化学品的过程是繁琐，昂贵和浪费的，因此在经济上或环境上不可行。
现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和人工光合作用联合中心(JCAP)的研究人员发现，将二氧化碳再循环成有价值的化学品和燃料可以既经济又高效 - 所有这一切都通过单一的铜催化剂。
这项工作发表在12月17日的“ 自然催化 ”杂志上。
行动的地方：产品特定的活动站点
当你拿一块铜金属时，它可能会感觉光滑，但在微观层面，表面实际上是凹凸不平的 - 这些凸起是科学家称之为“活动部位”，JCAP的研究员Joel Ager说。谁领导了这项研究。Ager是伯克利实验室材料科学部的一名科学家科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的兼职教授。
这些活性位点是电催化发生的魔力所在：来自铜表面的电子与二氧化碳和水在一系列步骤中相互作用，将它们转化为乙醇燃料等产品; 乙烯，塑料袋的前体; 和丙醇，一种常用于制药工业的酒精。
自20世纪80年代以来，当铜被发现将碳转化为各种有用产品的天赋时，人们总是认为它的活性位点不是产品特定的 - 换句话说，你可以用铜作为制造乙醇，乙烯的催化剂，丙醇或其他一些碳基化学品，但在到达最终目的地之前，您必须经过许多步骤来分离在化学反应的中间阶段形成的不需要的残留化学品 - 化学品最终产品。
“'绿色'或可持续化学的目标是在化学合成过程中获得您想要的产品，”Ager说。“你不想把你不想要的东西从理想的产品中分离出来，因为那是昂贵且对环境不利的。而且这种费用和浪费降低了碳基太阳能燃料的经济可行性。”
所以当Ager和合着者Yanwei Lum，他是加州大学伯克利分校的博士。研究期间，Ager实验室的学生正在研究铜在太阳能燃料项目中的催化性能，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制造碳基燃料或化学品的纯产品流?“ 阿格说。
通过“护照”追踪化学品的来源
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。研究人员推测，如果铜中的活性位点实际上是产品特定的，它们可以通过碳同位素追踪化学品的来源，“就像带有邮票的护照告诉我们他们访问过的国家，”Ager说。
“当我们想到这个实验时，我们认为这是一个非常明显的想法，尝试它会很疯狂，”Ager说。“但我们不能放过它，因为我们也认为它会起作用，因为我们先前对同位素的研究使我们能够发现新的反应途径。”
因此，在接下来的几个月里，Lum和Ager使用两种碳，碳-12和碳-13同位素作为“护照章”进行了一系列实验。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，产品中碳-13与碳-12的比例将决定化学产品来自哪些活性部位。
在Lum进行了数十次实验并在JCAP上使用最先进的质谱和核磁共振(核磁共振)光谱分析结果后，他们发现三种产品 - 乙烯，乙醇和丙醇 - 不同的同位素特征表明它们来自催化剂上的不同位点。“这一发现推动了未来的工作，以隔离和识别这些不同的网站，”Lum说。“将这些产品特定的地点放入单一的催化剂中，有朝一日可以产生非常有效和选择性的化学产品，”Lum说。
化工生产的未来日子更加辉煌
研究人员的新方法--Ager所描述的“具有环境和经济扭曲的直接化学” - 是他们希望可能成为绿色化学制造新起点的开始，其中太阳能电池可以将电子馈送到特定的活性物质铜催化剂中的位点以优化乙醇燃料的生产。
“也许有一天，这项技术可以让我们有可能拥有像炼油厂这样的东西，但是在太阳的驱动下，从大气中吸收二氧化碳，并创造出一系列有用的产品，”他说。