我國科研團隊找到乙酸“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。