科學研究：新型催化劑將二氧化碳轉化為實用燃料和化學品


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隨著大氣中二氧化碳含量的不斷攀升，科學家們正在尋找分解CO2分子的新方法，以製造有用的碳基燃料，化學藥品及其他產品。如今，布朗大學的一個研究人員小組找到了一種方法，通過對銅催化劑進行微調，高效利用CO2生產出複雜的碳氫化合物（稱為C2-plus產品）。
在《自然通訊》上發表的一項研究中，研究人員報告了一種催化劑，該催化劑可以生產高達72％法拉第效率的C2-plus化合物（法拉第效率是一種衡量電能如何有效地將二氧化碳轉化為化學反應產物的指標）。研究人員表示，這遠遠好於已報道的其他催化劑對C2-plus反應效率。而且製備過程可以容易地擴大到工業水平，這使得這種新型催化劑有望用於大規模的二氧化碳回收工作。
布朗大學的工程學教授Tayhas Palmore（與其博士研究生Taehee Kim共同撰寫了這篇文章）說：“ 文獻中報道了使用不同銅處理方式製備C2-plus產品的手段，不同的處理方式也對應了不同的製備效率。Taehee所做的一係列的實驗是來闡明這些處理步驟在反應性方麵對催化劑的實際作用，這為優化這些多碳化合物的催化劑指明了道路。”
Palmore說，近年來在開發可以製造單碳分子的銅催化劑方麵取得了很大進展。例如，Palmore和她在布朗大學的研究小組最近開發了一種泡沫銅催化劑，該催化劑可以有效地生產甲酸，這是一種重要的單碳化學用品。但是人們對能生產C2-plus 產品的反應越來越感興趣。
Palmore說：“最終，每個人都試圖增加產品中的碳含量，以達到生產高碳燃料和化學品的目的。”


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先前的研究表明，銅的鹵化反應（在有電勢的情況下，在銅表麵塗上氯原子、溴原子或碘原子的反應）可以增加催化劑對C2-plus產物的選擇性。Kim試驗了各種不同的鹵化方法，重點研究了哪些鹵素元素和哪些電勢能在CO2-to-C2-plus反應中實現性能最好的催化劑。他發現，最佳的製備方法可以產生70.7%到72.6%的法拉第效率，遠遠高於其他任何銅催化劑。
該研究有助於揭示能使銅催化劑對C2-plus產品有益的屬性。效率最高的製劑具有大量的表麵缺陷（鹵化表麵的微小裂紋和縫隙），這對於碳-碳耦合反應至關重要。這些缺陷部位似乎是催化劑對乙烯的高選擇性的關鍵，乙烯是可以聚合並用於製造塑料的C2-plus產品。
最終，這種催化劑將有助於大規模回收 CO2。其理念是將工業設施如發電廠、水泥生產或直接從空氣中產生的CO2捕獲，並將其轉化為其他有用的碳化合物。這就需要一種高效的催化劑，這種催化劑易於生產和再生，而且價格低廉，適合工業化生產。研究人員說，這種新型催化劑是一種很有前景的候選品。


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“我們在實驗中使用的是實驗室規模的催化劑，但使用這種方法幾乎可以生產出適用於任何規模的催化劑，” Palmore說。
撰文：Kevin Stacey
翻譯：曾欣欣
審校：董子晨曦
引進來源：布朗大學
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-08-catalyst-efficiently-carbon-dioxide-fuels.html


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