我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)找到乙酸“零碳”制備新路徑

二氧化碳能做衣服、制香水？還能做成樂(lè)高玩具？科技改變世界，超乎想象。

 

5月3日，《自然》雜志發(fā)表我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究成果。該研究實(shí)現(xiàn)了以二氧化碳為原料高效制備醋酸（又名乙酸），找到一條乙酸綠色生產(chǎn)新路徑，揭開(kāi)“零碳”制造夢(mèng)想的一角。

 

新型催化劑破解難題

 

上述成果論文作者之一、武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授麥立強(qiáng)介紹，他所在團(tuán)隊(duì)聯(lián)合龐元杰教授團(tuán)隊(duì)、多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的最新研究“限制二碳吸附基團(tuán)構(gòu)象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”，利用低品階的可再生電能，通過(guò)二氧化碳催化電解手段，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值的碳基燃料或化學(xué)品。

 

這項(xiàng)成果對(duì)可再生能源的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)及緩解氣候變化至關(guān)重要，其戰(zhàn)略意義十分重要。

 

在本項(xiàng)研究工作中，我科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型稀釋合金催化劑，可在高壓強(qiáng)反應(yīng)條件下，利用電能將一氧化碳高效還原為乙酸。其反應(yīng)最高選擇性（法拉第效率）達(dá)91%，已和二氧化碳至一氧化碳的電還原選擇性相仿，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。

 

銅基催化劑是在二氧化碳電催化還原反應(yīng)中效率最高的催化劑之一。銅基催化劑雖能高效催化碳-碳偶聯(lián)步驟，但每種多碳產(chǎn)物的選擇性都不高。

 

為此，該研究工作設(shè)計(jì)了銅-銀稀釋合金催化劑，使銅以原子級(jí)分散在銀基底中，其中銅位點(diǎn)只有2到4個(gè)原子。這迫使碳基團(tuán)進(jìn)入“單齒型”吸附狀態(tài)，將反應(yīng)高效導(dǎo)入乙酸生成路徑。

 

然而，小的銅位點(diǎn)可能無(wú)法高效完成碳-碳偶聯(lián)步驟，需更高的反應(yīng)物分子覆蓋度。因此，該研究設(shè)計(jì)了高壓強(qiáng)三相界面反應(yīng)裝置，可在高氣壓條件下保持氣-液兩相平衡，從而穩(wěn)定地反應(yīng)，解決催化劑表面反應(yīng)物分子覆蓋度需求。

 

該研究使用了武漢理工大學(xué)的先進(jìn)原位拉曼光譜技術(shù)證明CO還原過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵中間體，即C=C=O或(OH)C=COH構(gòu)型，為后續(xù)設(shè)計(jì)更高效的催化劑提供理論基礎(chǔ)。經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性分析表明，該技術(shù)在未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。 據(jù)介紹，這項(xiàng)研究證實(shí)了二氧化碳電還原技術(shù)在分布式清潔能源存儲(chǔ)方面的應(yīng)用潛力，及使用二氧化碳電催化轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行碳基化學(xué)品綠色合成的可行性。

 

多項(xiàng)指標(biāo)打破世界紀(jì)錄

 

乙酸作為一種重要的有機(jī)化工原料，制造化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等都需大量使用。

 

“傳統(tǒng)方法生產(chǎn)乙酸通常是采用化學(xué)合成或淀粉發(fā)酵法，用這些方法，每生產(chǎn)1千克醋酸會(huì)排放約1.6千克二氧化碳。”上述成果論文作者之一、華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院教授龐元杰表示，我國(guó)作為世界第一大乙酸生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量超800萬(wàn)噸，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。

 

龐元杰說(shuō)，他所在團(tuán)隊(duì)致力于“零碳”制造，不僅讓生產(chǎn)乙酸的過(guò)程不產(chǎn)生二氧化碳，還能消耗二氧化碳制備乙酸，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)一份科技力量。

 

上述研究成果顯示，該實(shí)驗(yàn)使用二氧化碳和水為原料，生成乙酸這一主要產(chǎn)物，并能連續(xù)820小時(shí)保持乙酸生成率80%以上，在選擇性、能量轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定性上打破了現(xiàn)有世界紀(jì)錄。

 

電催化二氧化碳還原技術(shù)是一種極具潛力的清潔能源存儲(chǔ)手段。但在電解過(guò)程中，如何高選擇性、高速地生產(chǎn)單一高附加值產(chǎn)物卻是研究團(tuán)隊(duì)困擾已久的問(wèn)題。

 

電解水只可獲得氧氣和氫氣，電解二氧化碳卻可獲得20余種產(chǎn)物。

 

“為穩(wěn)定乙酸的生成率，首先要解決的是反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)與搭建，其次是催化劑的選擇。”龐元杰說(shuō)，利用高壓裝置和催化劑上的創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)以電催化二氧化碳還原技術(shù)為基礎(chǔ)，采用“兩步法”二氧化碳還原途徑，穩(wěn)定住乙酸反應(yīng)路徑的關(guān)鍵中間基團(tuán)，最終高產(chǎn)率合成了乙酸。

 

利用該技術(shù)，不僅是乙酸這類(lèi)羧酸類(lèi)化學(xué)品，烴類(lèi)、醇類(lèi)等重要化學(xué)品也有望實(shí)現(xiàn)“零碳”制造，讓二氧化碳在醫(yī)藥、燃料、化工原料的生產(chǎn)過(guò)程中得到更廣泛應(yīng)用。

 

據(jù)悉，該技術(shù)還可將太陽(yáng)能發(fā)電板的電能轉(zhuǎn)換為便于儲(chǔ)存的燃料化學(xué)能，再將燃料化學(xué)能有序釋放，實(shí)時(shí)滿(mǎn)足生活和生產(chǎn)的各種用能需求。