加州理工學(xué)院和加州大學(xué)洛杉磯分校薩穆里理工學(xué)院的研究小組展示了一種有前途的方法，可以有效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯，乙烯可廣泛在全球范圍內(nèi)用于生產(chǎn)塑料，溶劑，化妝品和其他重要產(chǎn)品。
科學(xué)家開發(fā)了具有特殊形狀表面的納米級銅線，以催化化學(xué)反應(yīng)，從而減少溫室氣體排放，同時生成乙烯（一種有價值的化學(xué)物質(zhì)）。反應(yīng)的計算研究表明，成型催化劑比氫氣或甲烷更有利于乙烯的生產(chǎn)。一項詳細研究進展的研究發(fā)表在《自然催化》上。
該研究的同時通訊作者，加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程學(xué)教授Yu Huang說：“我們正處于化石燃料枯竭的邊緣，加上全球氣候變化的挑戰(zhàn)。” “開發(fā)能夠有效地將溫室氣體轉(zhuǎn)化為增值燃料和化學(xué)原料的材料，是減輕全球變暖的關(guān)鍵一步，同時又避免了開采日益有限的化石燃料。這一綜合實驗和理論分析為二氧化碳的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展提供了一條可持續(xù)的道路。利用率。”
目前，乙烯在全球的年產(chǎn)量為1.58億噸。其中大部分變成了聚乙烯，用于塑料包裝。乙烯由碳氫化合物（例如天然氣）加工而成。
該研究的同時通訊作者和作者威廉·A·戈達德三世（William A. Goddard III）說：“使用銅催化這種反應(yīng)的想法已經(jīng)存在了很長時間，但關(guān)鍵是要加快速度，使其足夠快地用于工業(yè)生產(chǎn)。”加州理工學(xué)院的Charles和Mary Ferkel教授，化學(xué)，材料科學(xué)和應(yīng)用物理。 “這項研究顯示了邁向這一目標(biāo)的堅實道路，有潛力利用二氧化碳將乙烯生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色工業(yè)，否則二氧化碳將最終進入大氣。”
使用銅來啟動將二氧化碳（CO2）還原為乙烯反應(yīng)（C2H4）受到了兩次打擊。首先，最初的化學(xué)反應(yīng)還產(chǎn)生了氫氣和甲烷，這在工業(yè)生產(chǎn)中都是不希望的。其次，導(dǎo)致乙烯生產(chǎn)的先前嘗試并沒有持續(xù)很長時間，隨著系統(tǒng)繼續(xù)運行，轉(zhuǎn)化效率逐漸下降。
為了克服這兩個障礙，研究人員將精力集中在具有高度活性“臺階”的銅納米線的設(shè)計上，這類似于以原子級排列的一組樓梯。這項合作研究的一個有趣發(fā)現(xiàn)是，在反應(yīng)條件下，跨納米線表面的臺階模式保持穩(wěn)定，這與人們普遍認為這些高能量特征會消失的相反。這是生產(chǎn)乙烯而不是其他最終產(chǎn)品時系統(tǒng)耐用性和選擇性的關(guān)鍵。
該團隊證明了二氧化碳到乙烯的轉(zhuǎn)化率大于70％，比以前的設(shè)計效率要高得多，后者在相同條件下的轉(zhuǎn)化率至少降低了10％。新系統(tǒng)運行了200個小時，轉(zhuǎn)化效率幾乎沒有變化，這是銅基催化劑的重大進步。此外，對結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的全面理解為設(shè)計高活性和持久性的CO2還原催化劑提供了新的視角。
參考文獻：Chungseok Choi et al, Highly active and stable stepped Cu surface for enhanced electrochemical CO2 reduction to C2H4, Nature Catalysis (2020). DOI: 10.1038/s41929-020-00504-x
