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      目前人們正在探索如何更好地將CO2轉化為有用的化學物質，科學家們研究表明，單一的鎳原子可作為一種高效、低成本的催化劑來使用。

圖片來源：布魯克海文國家實驗室

上圖為布魯克海文的科學家們在NSLS-II beamline 8-ID中拍攝的照片，他們使用超高亮度的X射線來“觀察”新催化材料的化學復雜性。圖中從左到右分別是Klaus Attenkofer，Dong Su，Sooyeon Hwang和Eli Stavitski。

      想象一下，如果CO2可以很容易地轉換成可用能源的話。那么當我們每次呼吸或駕駛汽車時，我們所排放的氣體將是一種產生燃料的關鍵成分，而不是被大眾稱之為廢氣。類似于植物中的光合作用一樣，科學家一直致力于將CO2轉化為對日常生活至關重要的分子。現在，對于將CO2轉換成可用能源的技術，科學家們又向前邁進了一步。

    據悉， 美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的研究人員作為這項科學合作研究的一部分，他們開發出了一種新型電催化劑，可將CO2有效轉化為高能量分子——CO。他們的這一科研成果于2月1日發表在了《Energy & Environmental Science》雜志上。

      “使用CO的方法有很多，” 布魯克海文國家實驗室的科學家兼論文作者Eli Stavitski說。“例如我們可以將CO和水反應生產高能量的氫氣，也可以用氫氣與CO生產出有用的化學物質，如碳氫化合物或醇類。如果有一種可持續，且經濟實用的途徑將CO2轉化為CO，它將會大大的造福整個社會。”

      科學家們一直在尋求一種將CO2轉化為CO的方法，但傳統的電催化劑并不能有效地引發反應。這是因為在化學反應過程中，氫氣析出反應（HER）亦或名為“水分解”的競爭反應優先于CO2轉化為CO的反應。

      一些貴金屬，如金和鉑，可避免氫氣析出反應（HER）的發生并將CO 2轉化為CO；然而，這些金屬相對較少且成本太高，從成本方面考慮，其并不是很適合做常用的催化劑。因此，科學家們正在尋求一種經濟實用的方式科學的將CO2轉化為CO，為此他們開發出了一種全新的催化劑。他們使用單個鎳原子來代替貴金屬納米粒子作為催化劑。

      哈佛大學Rowland研究所的研究員兼論文的相關作者Haotian Wang在論文中表示：“金屬鎳能夠成為一種前景光明的催化劑，其中一個原因是它能很好地抑制氫氣析出反應（HER），并顯著降低CO2的選擇性；另一個原因是因為如果有CO分子產生，鎳表面就很容易被CO所污染。”

      然而，單原子的鎳卻產生了不同的催化效果。

      布魯克海文科學家，也是該論文的共同作者之一Klaus Attenkofer補充說：“在金屬表面具有一種能量潛能，它是均勻的；而在單個原子上，表面上的每處的能量卻是不同的。”

      除了單原子獨特的能量特性之外，CO2的轉化反應還有鎳原子與周圍石墨烯片的相互促進作用。將原子固定在石墨烯片上，使科學家能夠調整催化劑并抑制氫氣析出反應的進行（HER）。

      為了更仔細地研究原子級薄層石墨烯片層中的各個鎳原子，科學家們在美國能源部科學用戶設施辦公室的Brookhaven功能納米材料中心（CFN）使用掃描透射電子顯微鏡（STEM）。通過電子探針在樣品上掃描，科學家們能夠在石墨烯上觀察到離散的鎳原子。

      “我們先進的透射電子顯微鏡是一種獨特的工具，可以看到物質極其微小的特征，例如單原子。”CFN的科學家兼該論文的共同作者Sooyeon Hwang說。

      Dong Su，CFN的科學家和論文的共同作者說：“單原子通常是不穩定的，并傾向于聚集在支撐物上。但是，我們研究發現作為催化劑的各個鎳原子是均勻分布的，這就解釋了轉換反應為何具有如此的優異性能。”

      為了分析材料的化學復雜性，科學家們在國家同步輻射光源II（NSLS-II）上使用了束線8-ID，這也是美國能源部在布魯克海文實驗室的科學用戶設施辦公室。NSLS-II上的超高亮度X射線光使科學家們能夠“看到”材料內部結構的詳細視圖。

      “光子或光的粒子與鎳原子中的電子相互作用，主要做兩件事，” Stavitski說。“他們把電子發送到更高的能量狀態，通過映射這些能量狀態，我們可以了解材料的電子結構和化學狀態。當我們增加光子的能量時，它們將電子從原子中踢出去，并與相鄰的元素相互作用。實質上，這為科學家們提供了鎳原子局部結構的圖像。

       根據哈佛大學，NSLS-II，CFN和其他研究機構的研究結果，科學家發現單個鎳原子催化CO2轉化反應的效率最高可達97％。科學家們表示，這是向可再生能源和化學品回收CO2邁出的重要一步。

      “為了將這種技術應用到未來的實際應用中，我們目前的目標是以便宜和大規模的方式來生產這種單鎳原子催化劑，同時改善其性能并保持其效率。” Wang說。