二氧化碳回收转变为有价值的化学物质

太阳能电池处处可见，但是它的转换效率又不是很高，需要科研人员不断攻克相关技术，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。

某太阳能电池

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。

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。

 

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。相信再过几年到几十年，当人类利用太阳能的技术很成熟的时候，这样就有了无穷尽的能源供给社会的使用，再当下就需要研究者更加努力研究新技术。