我科研团队找到乙酸“零碳”制备新路径
陈刚 刘雪茹 范千 科技日报记者 吴纯新
二氧化碳能做衣服、制香水？还能做成乐高玩具？科技改变世界，超乎想象。
(资料图片仅供参考)
5月3日，《自然》杂志发表我国科研团队的一项最新研究成果。该研究实现了以二氧化碳为原料高效制备醋酸（又名乙酸），找到一条乙酸绿色生产新路径，揭开“零碳”制造梦想的一角。
图为该论文的理论计算，表明铜-银稀释合金催化剂表面更利于单齿型吸附的*C=C=O二碳基团的生成，及其需要更高的CO表面覆盖度以保证碳-碳偶联的高效发生。
新型催化剂破解难题
上述成果论文作者之一、武汉理工大学材料科学与工程学院教授麦立强介绍，他所在团队联合庞元杰教授团队、多伦多大学研究团队的最新研究“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”，利用低品阶的可再生电能，通过二氧化碳催化电解手段，将二氧化碳转化为高附加值的碳基燃料或化学品。
这项成果对可再生能源的转换与存储及缓解气候变化至关重要，其战略意义十分重要。
在本项研究工作中，我科研团队报道了一种新型稀释合金催化剂，可在高压强反应条件下，利用电能将一氧化碳高效还原为乙酸。其反应最高选择性（法拉第效率）达91%，已和二氧化碳至一氧化碳的电还原选择性相仿，实现了可再生能源的转换与存储。
铜基催化剂是在二氧化碳电催化还原反应中效率最高的催化剂之一。铜基催化剂虽能高效催化碳-碳偶联步骤，但每种多碳产物的选择性都不高。
为此，该研究工作设计了铜-银稀释合金催化剂，使铜以原子级分散在银基底中，其中铜位点只有2到4个原子。这迫使碳基团进入“单齿型”吸附状态，将反应高效导入乙酸生成路径。
然而，小的铜位点可能无法高效完成碳-碳偶联步骤，需更高的反应物分子覆盖度。因此，该研究设计了高压强三相界面反应装置，可在高气压条件下保持气-液两相平衡，从而稳定地反应，解决催化剂表面反应物分子覆盖度需求。
该研究使用了武汉理工大学的先进原位拉曼光谱技术证明CO还原过程中的一个关键中间体，即C=C=O或(OH)C=COH构型，为后续设计更高效的催化剂提供理论基础。经济技术可行性分析表明，该技术在未来应用前景广阔。 据介绍，这项研究证实了二氧化碳电还原技术在分布式清洁能源存储方面的应用潜力，及使用二氧化碳电催化转化技术进行碳基化学品绿色合成的可行性。
多项指标打破世界纪录
乙酸作为一种重要的有机化工原料，制造化纤衣物、香水香氛、塑料加工品等都需大量使用。
“传统方法生产乙酸通常是采用化学合成或淀粉发酵法，用这些方法，每生产1千克醋酸会排放约1.6千克二氧化碳。”上述成果论文作者之一、华中科技大学光电信息学院教授庞元杰表示，我国作为世界第一大乙酸生产国，年产量超800万吨，给生态环境带来巨大压力。
庞元杰说，他所在团队致力于“零碳”制造，不仅让生产乙酸的过程不产生二氧化碳，还能消耗二氧化碳制备乙酸，为实现“双碳”目标贡献一份科技力量。
上述研究成果显示，该实验使用二氧化碳和水为原料，生成乙酸这一主要产物，并能连续820小时保持乙酸生成率80%以上，在选择性、能量转化效率、稳定性上打破了现有世界纪录。
电催化二氧化碳还原技术是一种极具潜力的清洁能源存储手段。但在电解过程中，如何高选择性、高速地生产单一高附加值产物却是研究团队困扰已久的问题。
电解水只可获得氧气和氢气，电解二氧化碳却可获得20余种产物。
“为稳定乙酸的生成率，首先要解决的是反应装置设计与搭建，其次是催化剂的选择。”庞元杰说，利用高压装置和催化剂上的创新，团队以电催化二氧化碳还原技术为基础，采用“两步法”二氧化碳还原途径，稳定住乙酸反应路径的关键中间基团，最终高产率合成了乙酸。
利用该技术，不仅是乙酸这类羧酸类化学品，烃类、醇类等重要化学品也有望实现“零碳”制造，让二氧化碳在医药、燃料、化工原料的生产过程中得到更广泛应用。
据悉，该技术还可将太阳能发电板的电能转换为便于储存的燃料化学能，再将燃料化学能有序释放，实时满足生活和生产的各种用能需求。
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