俄亥俄州立大學(xué)—— 多年來(lái)，化學(xué)家一直致力于從廢物分子中合成高價(jià)值材料?，F(xiàn)在，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在合作探索利用電力來(lái)簡(jiǎn)化這一過(guò)程的方法。

在最近發(fā)表在《自然催化》 雜志上的一項(xiàng)研究中，研究人員證明，溫室氣體二氧化碳可以有效地轉(zhuǎn)化為一種稱(chēng)為甲醇的液體燃料。

該過(guò)程涉及將酞菁鈷(CoPc) 分子均勻地鋪展到碳納米管上，碳納米管與石墨烯類(lèi)似，具有獨(dú)特的電性能。碳納米管表面有一層電解質(zhì)溶液。通過(guò)電流，CoPc 分子可以吸收電子并利用電子將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇。

使用基于原位光譜學(xué)的特殊方法來(lái)可視化化學(xué)反應(yīng)，研究人員首次看到這些分子轉(zhuǎn)化為甲醇或一氧化碳，而這不是所需的產(chǎn)物。他們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)路徑取決于二氧化碳分子反應(yīng)的環(huán)境。

通過(guò)控制CoPc催化劑在碳納米管表面的分布方式來(lái)調(diào)節(jié)這種環(huán)境，可以使從二氧化碳生產(chǎn)甲醇的可能性提高八倍，這一發(fā)現(xiàn)可以提高其他催化過(guò)程的效率，并對(duì)其他領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛的影響。研究報(bào)告的合著者、俄亥俄州立大學(xué)化學(xué)和生物化學(xué)教授羅伯特·貝克說(shuō)。

“當(dāng)你將二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品時(shí)，你可以制造許多不同的分子，”他說(shuō)。 “甲醇絕對(duì)是最理想的分子之一，因?yàn)樗哂腥绱烁叩哪芰棵芏龋梢灾苯佑米魈娲剂??！?

雖然將廢物分子轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品并不是一個(gè)新現(xiàn)象，但到目前為止，研究人員往往無(wú)法觀察反應(yīng)實(shí)際發(fā)生的情況，這對(duì)于優(yōu)化和改進(jìn)過(guò)程至關(guān)重要。

貝克說(shuō)：“我們可能已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了某些東西的工作原理，但我們并不真正了解是什么讓它發(fā)揮作用，或者是什么讓一種催化劑比另一種更有效?！北砻婊瘜W(xué)專(zhuān)門(mén)研究化學(xué)反應(yīng)在以下情況下如何變化。它們出現(xiàn)在不同物體的表面。 “這些都是很難回答的問(wèn)題。”

但在特殊技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模的幫助下，該團(tuán)隊(duì)距離掌握這一復(fù)雜過(guò)程又近了一步。該研究的主要作者、前俄亥俄州立大學(xué)校長(zhǎng)學(xué)者朱全松說(shuō)，在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種新型振動(dòng)光譜，使他們能夠觀察分子在表面上的行為。朱全松富有挑戰(zhàn)性的測(cè)量對(duì)于這一發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。

“我們可以通過(guò)它們的振動(dòng)特征判斷，它們是兩種不同反應(yīng)環(huán)境中的相同分子，”朱說(shuō)。 “我們能夠?qū)⑦@些反應(yīng)環(huán)境之一與甲醇（一種有價(jià)值的液體燃料）的生產(chǎn)聯(lián)系起來(lái)?！?

研究還發(fā)現(xiàn)，更深入的分析還發(fā)現(xiàn)，這些分子直接與稱(chēng)為陽(yáng)離子的超帶電粒子相互作用，從而增強(qiáng)了甲醇的形成過(guò)程。

貝克說(shuō)，需要更多的研究來(lái)了解這些陽(yáng)離子還有哪些其他功能，但這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)更有效的甲醇生產(chǎn)方式至關(guān)重要。

貝克說(shuō)：“我們看到了非常重要的系統(tǒng)，并了解到了人們長(zhǎng)期以來(lái)一直想知道的事情?！?“了解在分子水平上發(fā)生的獨(dú)特化學(xué)反應(yīng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用非常重要?！?

由可再生電力生產(chǎn)的甲醇除了作為飛機(jī)、汽車(chē)和船舶等運(yùn)輸?shù)牡统杀救剂贤猓€可用于供暖和發(fā)電，并推動(dòng)未來(lái)的化學(xué)發(fā)現(xiàn)。

貝克說(shuō)：“根據(jù)我們?cè)谶@里學(xué)到的知識(shí)，接下來(lái)可能會(huì)發(fā)生很多令人興奮的事情，其中一些我們已經(jīng)在共同努力?！?“這是一個(gè)正在進(jìn)行的工作?！?

合著者包括耶魯大學(xué)的Conor L. Rooney 和Hailiang Wang、希伯來(lái)大學(xué)的Hadar Shema 和Elad Gross，以及賓厄姆頓大學(xué)的Christina Zeng 和Julien A. Panetier。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)-以色列雙邊科學(xué)基金會(huì)（BSF）國(guó)際合作的支持。