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美因茨約翰內(nèi)斯古騰堡大學(xué)（Johannes Gutenberg University，JGU）的研究人員公布了一種將二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化為乙醇的開創(chuàng)性方法，為化學(xué)應(yīng)用和能源儲(chǔ)存提供了一種可持續(xù)的替代方案。這項(xiàng)技術(shù)由JGUs化學(xué)系的Carsten Streb教授領(lǐng)導(dǎo)，提供了一種將二氧化碳排放作為閉環(huán)碳循環(huán)的一部分重新利用的途徑，具有在工業(yè)上更廣泛應(yīng)用的潛力。
“我們可以從環(huán)境中去除溫室氣體二氧化碳，并將其重新引入可持續(xù)的碳循環(huán)，”Streb說。他的研究重點(diǎn)是通過電催化將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇。當(dāng)與綠色能源相結(jié)合時(shí)，這一過程可以減少對(duì)糧食作物的依賴，如玉米，傳統(tǒng)上用于生產(chǎn)燃料乙醇。Streb補(bǔ)充說，雖然該工藝目前在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上運(yùn)行，但它有望大規(guī)模應(yīng)用。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在ACS催化雜志上。
鈷銅催化劑在CO2轉(zhuǎn)化中具有高選擇性
二氧化碳的電化學(xué)轉(zhuǎn)化為多碳化合物，如乙醇，是捕獲二氧化碳和生產(chǎn)有價(jià)值的工業(yè)材料的有效方法。然而，成功與否取決于使用的催化劑能否達(dá)到高選擇性，從而保證乙醇的高產(chǎn)量。Streb解釋說：“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要合適的催化劑，能夠高選擇性地進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化，這樣我們就能獲得高產(chǎn)量的期望產(chǎn)物，在我們的情況下，就是乙醇。”
研究小組設(shè)計(jì)了一種專門的電極，上面仔細(xì)地涂上了一層黑色的鈷銅粉末，數(shù)量和位置都很精確。這種串聯(lián)裝置允許鈷最初分解二氧化碳中的強(qiáng)鍵，產(chǎn)生一氧化碳。然后銅成分催化從一氧化碳到乙醇的轉(zhuǎn)化，這一過程只有當(dāng)兩種金屬都正確地放置在電極上時(shí)才能成功。Streb說，最初的挑戰(zhàn)是讓二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。分子原子之間的鍵非常牢固，但鈷可以破壞它們。
提高效率，擴(kuò)大應(yīng)用
目前，該方法將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇的選擇性達(dá)到80%，是迄今為止報(bào)道的最高選擇性。Soressa Abera Chala博士是這項(xiàng)研究的主要作者，作為JGU的洪堡研究員，他在這項(xiàng)優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用。合著者劉榮基（音譯）博士和Ekemena Oseghe博士也作為洪堡研究員為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。目前正在努力將這種選擇性提高到90%到95%之間，目標(biāo)是最終達(dá)到100%，屆時(shí)只生產(chǎn)乙醇作為最終產(chǎn)品。
燈光下的協(xié)同努力
作為合作研究中心/跨區(qū)域CataLight（CRC/TRR 234）的一部分，與烏爾姆大學(xué)的合作對(duì)這項(xiàng)研究至關(guān)重要。通過先進(jìn)的電子顯微鏡，研究小組可以觀察催化劑上單個(gè)原子的位置，使他們能夠改進(jìn)電極的組成。
對(duì)鈷和銅的關(guān)注源于它們的豐富和可負(fù)擔(dān)性，這使得該工藝無(wú)需昂貴的貴金屬（如鉑）即可實(shí)現(xiàn)。我們需要看到單個(gè)原子，這可以用一種特殊的電子顯微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，Streb說。這項(xiàng)研究的目的是創(chuàng)造一種穩(wěn)定的催化劑，可以長(zhǎng)時(shí)間保持效率。
一條通向乙醇生產(chǎn)的可持續(xù)道路
這種技術(shù)為從二氧化碳和綠色電力中生產(chǎn)乙醇提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以減輕對(duì)用于生物燃料生產(chǎn)的糧食資源的需求。Streb強(qiáng)調(diào)，通過使用全球可用的原材料作為催化劑，我們正在遵循當(dāng)前研究中越來(lái)越關(guān)注非貴金屬的方法。這項(xiàng)技術(shù)可以提供可持續(xù)的乙醇，減少對(duì)目前用于乙醇生產(chǎn)的甘蔗和玉米等農(nóng)作物的依賴，特別是在巴西等地區(qū)。這一發(fā)展為生產(chǎn)乙醇提供了一種可擴(kuò)展的解決方案，這種乙醇可以儲(chǔ)存并用于按需發(fā)電。
SusInnoScience研究背景
Streb教授于2022年加入JGU，參與了幾個(gè)由德國(guó)科學(xué)和教育基金會(huì)支持的可持續(xù)催化合作研究項(xiàng)目。他的工作是JGU頂級(jí)研究領(lǐng)域SusInnoScience的一部分，該領(lǐng)域旨在促進(jìn)可持續(xù)的化學(xué)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型科學(xué)。JGU頂級(jí)研究領(lǐng)域SusInnoScience-可持續(xù)化學(xué)作為人類世資源節(jié)約型科學(xué)創(chuàng)新的關(guān)鍵CRC/Transregio 234：光驅(qū)動(dòng)分子催化劑在分層結(jié)構(gòu)材料中的合成和機(jī)理研究（CataLight），由德國(guó)研究基金會(huì)（DFG）資助。
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