二氧化碳能做衣服、制香水?還能做成樂高玩具?科技改變世界,超乎想象。
5月3日,《自然》雜志發(fā)表我國科研團隊的一項最新研究成果。該研究實現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
綠色生產新路徑,揭開“零碳”制造夢想的一角。
新型催化劑破解難題
上述成果
論文作者之一、武漢理工大學材料科學與工程學院教授麥立強介紹,他所在團隊聯(lián)合龐元杰教授團隊、多倫多大學研究團隊的最新研究“限制二碳吸附基團構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,通過二氧化碳催化電解手段,將二氧化碳轉化為高附加值的碳基燃料或化學品。
這項成果對可再生能源的轉換與存儲及緩解氣候變化至關重要,其戰(zhàn)略意義十分重要。
在本項研究工作中,我科研團隊報道了一種新型稀釋合金催化劑,可在高壓強反應條件下,利用電能將一氧化碳高效還原為乙酸。其反應最高選擇性(法拉第效率)達91%,已和二氧化碳至一氧化碳的電還原選擇性相仿,實現了可再生能源的轉換與存儲。
銅基催化劑是在二氧化碳電催化還原反應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,但每種多碳產物的選擇性都不高。
為此,該研究工作設計了銅-銀稀釋合金催化劑,使銅以原子級分散在銀基底中,其中銅位點只有2到4個原子。這迫使碳基團進入“單齒型”吸附狀態(tài),將反應高效導入乙酸生成路徑。
然而,小的銅位點可能無法高效完成碳-碳偶聯(lián)步驟,需更高的反應物分子覆蓋度。因此,該研究設計了高壓強三相界面反應裝置,可在高氣壓條件下保持氣-液兩相平衡,從而穩(wěn)定地反應,解決催化劑表面反應物分子覆蓋度需求。
該研究使用了武漢理工大學的先進原位拉曼光譜技術證明CO還原過程中的一個關鍵中間體,即C=C=O或(OH)C=COH構型,為后續(xù)設計更高效的催化劑提供理論基礎。經濟技術可行性分析表明,該技術在未來應用前景廣闊。 據介紹,這項研究證實了二氧化碳電還原技術在分布式
清潔能源存儲方面的應用潛力,及使用二氧化碳電催化轉化技術進行碳基化學品綠色合成的可行性。
多項指標打破世界紀錄
乙酸作為一種重要的有機化工原料,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)方法生產乙酸通常是采用化學合成或淀粉發(fā)酵法,用這些方法,每生產1千克醋酸會排放約1.6千克二氧化碳。”上述成果論文作者之一、華中科技大學光電信息學院教授龐元杰表示,我國作為世界第一大乙酸生產國,年產量超800萬噸,給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。
龐元杰說,他所在團隊致力于“零碳”制造,不僅讓生產乙酸的過程不產生二氧化碳,還能消耗二氧化碳制備乙酸,為實現“雙碳”目標貢獻一份科技力量。
上述研究成果顯示,該實驗使用二氧化碳和水為原料,生成乙酸這一主要產物,并能連續(xù)820小時保持乙酸生成率80%以上,在選擇性、能量轉化效率、穩(wěn)定性上打破了現有世界紀錄。
電催化二氧化碳還原技術是一種極具潛力的清潔能源存儲手段。但在電解過程中,如何高選擇性、高速地生產單一高附加值產物卻是研究團隊困擾已久的問題。
電解水只可獲得氧氣和氫氣,電解二氧化碳卻可獲得20余種產物。
“為穩(wěn)定乙酸的生成率,首先要解決的是反應裝置設計與搭建,其次是催化劑的選擇。”龐元杰說,利用高壓裝置和催化劑上的創(chuàng)新,團隊以電催化二氧化碳還原技術為基礎,采用“兩步法”二氧化碳還原途徑,穩(wěn)定住乙酸反應路徑的關鍵中間基團,最終高產率合成了乙酸。
利用該技術,不僅是乙酸這類羧酸類化學品,烴類、醇類等重要化學品也有望實現“零碳”制造,讓二氧化碳在醫(yī)藥、燃料、化工原料的生產過程中得到更廣泛應用。
據悉,該技術還可將太陽能發(fā)電板的電能轉換為便于儲存的燃料化學能,再將燃料化學能有序釋放,實時滿足生活和生產的各種用能需求。
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