美國橡樹嶺國家實驗室(ornl)化學家亞當·羅蒂農帶領的研究團隊,本來打算將溫室氣體的主要成分——二氧化碳催化成甲烷,結果在開始催化反應的第一個步驟,竟意外生成了乙醇,轉化效率還挺高,達到了63%。
消息發布后,多家國內外媒體予以關注。這個技術是否像新聞標題上看起來那么簡單?其背后的創新點究竟何在?對改善環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
在進行電催化二氧化碳實驗時,羅蒂農團隊設計了至少三個反應步驟,希望將二氧化碳催化成甲烷等物質。
實驗的重要“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構,形成含有多個反應位點的紋理。
研究人員將納米芯片插入水中,同時注入二氧化碳,施加電壓后,芯片釘狀納米尖峰開始進行高效的化學反應。結果在第一個步驟結束時,“我們發現,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,在燃燒時會變成二氧化碳和水。現在,科學家好像只用一步,就逆轉了乙醇燃燒的復雜過程!
“偶然”源自扎實研究積累
ornl官方網站近日在重點介紹這項突破性成就時,提到了“催化科學”和“納米制造”兩個關鍵詞。
羅蒂農在接受美國著名的《大眾機械》雜志采訪時表示,橡樹嶺國家實驗室是政府資助的研究機構,“我們的主要研究方向是納米技術,而我個人側重于催化技術,特別是用電催化來控制化學反應。”
通常而言,用單一的催化劑把二氧化碳催化成其他物質是非常困難的。羅蒂農選擇了將擅長的電化學方法應用于催化實驗。此外,這項成果的最大創新點在于催化劑的納米紋理,正是這種獨特的納米結構,為催化反應提供了高效率反應場所。
值得一提的是,這種僅用普通碳、銅材料進行催化的方法,避免了使用稀有金屬鉑等昂貴材料帶來的工業成本壓力。更重要的是,它在室溫下的水中操作即可,方便大規模的工業化應用。
目前,研究人員計劃改進他們的方法,以進一步研究這種催化劑的性質和行為。
有效提高清潔能源利用率
為什么會選擇二氧化碳作為催化對象?羅蒂農表示:“用
電力捕獲二氧化碳并將其轉化為有用的東西,是一種很重要的研究方向,全世界都在做這類研究。”
二氧化碳是燃燒產生的廢物,這次偶然發現的可逆催化反應,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%的產出率,在羅蒂農看來,是一種容易讓人理解的解釋方法——推動100個電子穿過催化劑,其中63個最終以乙醇形式存儲下來。另一種對“高效”的解釋更“刺激”——從二氧化碳的角度看,如果拿100個二氧化碳分子去參與反應,其中84個最終變成乙醇,其余的變成一氧化碳、甲酸或甲烷。“63%也好,84%也好,催化收益率是比較高的,我們對此感到很滿意”。
有鑒于此,研究人員認為,“該方法可擴大用于工業相關領域,如存儲風力、太陽能等可再生能源發電站產生的過量電力”。不能并入電網的電力,可以用來催化二氧化碳,以液體乙醇的方式將能源存儲下來。
“這是一個提高清潔能源利用效率的好辦法”,羅蒂農表示,“如果考慮閉合碳循環和由此衍生的
碳交易,該技術也具有相當的競爭力。”