新型电催化剂将二氧化碳转化为液体燃料-科技日报

催化剂加速了化学反应，构成了许多工业过程的支柱。例如，它们在将重油转化为汽油或喷气燃料方面是必不可少的。今天，所有制成品的80%以上都涉及催化剂。

由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室与北伊利诺伊大学合作领导的一个研究小组发现了一种新的电催化剂，可以将二氧化碳(CO2)和水转化为乙醇，具有非常高的能效、对所需最终产品的高选择性和低成本。乙醇是一种特别令人向往的商品，因为它是几乎所有美国汽油的成分，并被广泛用作化工、制药和化妆品行业的中间产品。

“我们的催化剂产生的过程将有助于循环碳经济，这需要二氧化碳的再利用。”--阿贡化学科学和工程部高级化学家、UChicago案例科学家刘迪佳(Di-Jia Liu)。

Argonne化学科学和工程部高级化学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院(Pritzker School Of分子Engineering)UChicago案例科学家刘迪佳(Di-Jia Liu)表示：“我们催化剂产生的过程将有助于循环碳经济，这需要二氧化碳的再利用。”他也是芝加哥大学普利兹克分子工程学院(Pritzker School Of分子Engineering)的UChicago案例科学家。这一过程将通过电化学将化石燃料发电厂或酒精发酵厂等工业过程排放的二氧化碳以合理的成本转化为有价值的商品。

该团队的催化剂由原子分散在碳粉载体上的铜组成。这种催化剂通过电化学反应分解CO2和水分子，并在外加电场的作用下选择性地将破碎的分子重组为乙醇。该工艺的电催化选择性，或称“法拉第效率”超过90%，远远高于任何其他报道的工艺。此外，该催化剂在低压下长时间运行稳定。

北伊利诺伊大学物理化学和纳米技术教授陶旭说：“通过这项研究，我们发现了一种将二氧化碳和水转化为乙醇的新催化机制。”“该机制亦应为开发高效电催化剂提供基础，使二氧化碳转化为多种增值化学品。”

因为二氧化碳是一种稳定的分子，将其转化为不同的分子通常是能源密集型的，成本也很高。然而，根据刘的说法，“我们可以将使用我们的催化剂将二氧化碳转化为乙醇的电化学过程耦合到电网上，并在非高峰时间利用太阳能和风能等可再生能源提供的低成本电力。”由于该过程是在低温和压力下运行的，因此它可以快速启动和停止，以响应可再生电力的间歇供应。

该团队的研究得益于位于阿贡的美国能源部科学办公室的两个用户设施-先进光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)-以及阿贡的实验室计算资源中心(LCRC)。北伊利诺伊大学化学和生物化学系助理教授、阿贡X射线科学部助理科学家陶力说：“多亏了APS的X射线光束的高光子通量，我们捕捉到了电化学反应过程中催化剂的结构变化。”他是北伊利诺伊大学化学和生物化学系的助理教授，也是阿贡X射线科学部的助理科学家。这些数据连同CNM的高分辨率电子显微镜和使用LCRC的计算模型一起揭示了在低电压下从原子分散的铜到三个铜原子的团簇的可逆转变。CO2转化为乙醇的催化作用发生在这些微小的铜团簇上。这一发现为通过合理设计进一步改进催化剂提供了线索。

我们已经用这种方法制备了几种新的催化剂，发现它们在将二氧化碳转化为其他碳氢化合物方面都非常高效，“刘说。“我们计划与业界合作继续这项研究，以推动这项前景看好的技术的发展。”

参考文献：由徐海平、Dominic Rebollar、何海英、Lina Chong、刘玉子、刘聪、孙成军、陶力、John V.Muntean、Randall E.Winans、刘迪佳和徐涛所著，2020年7月27日，“由原子分散的铜动态形成的金属簇将CO2还原为乙醇的高选择性电催化还原为乙醇”。电话：10.1038/s41560020666x。

对这项研究的支持来自美国能源部科学办公室和美国能源部基础能源科学办公室提供的阿贡实验室指导的研究与开发(LDRD)基金，以及相应的科学论文《原子分散的铜动态形成的金属簇的高选择性电催化CO2还原为乙醇》，发表在2020年7月的《自然能源》杂志上。除刘迪佳和陶旭外，作者还包括徐海平、多米尼克·雷博拉、何海英、钟丽娜、刘玉子、刘聪、孙成军、陶力、约翰·V·蒙田和兰德尔·E·维南斯。

关于阿贡的纳米材料中心纳米材料中心是美国能源部的5个纳米科学研究中心之一，是由美国能源部科学办公室支持的在纳米尺度进行跨学科研究的首屈一指的国家用户设施。NSRC共同组成了一套互补的设施，为研究人员提供了制造、加工、表征纳米材料和建立纳米材料模型的最先进能力，并构成了国家纳米技术倡议的最大基础设施投资。NSRC位于能源部的阿贡、布鲁克海文、劳伦斯·伯克利、橡树岭、桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室。

位于阿贡国家实验室的美国能源部科学办公室的先进光子源(APS)是世界上生产效率最高的X射线光源设施之一。APS为材料科学、化学、凝聚态物理、生命和环境科学以及应用研究领域的不同研究人员提供高亮度X射线光束。这些X射线非常适合用于探测材料和生物结构；元素分布；化学、磁、电子状态；以及从电池到喷油器喷雾等广泛的重要技术工程系统，所有这些都是我们国家经济、技术和物质福祉的基础。每年有5000多名研究人员使用APS出版2000多份出版物，详细介绍影响深远的发现，并解决比任何其他X射线光源研究设施的用户更重要的生物蛋白质结构。APS的科学家和工程师创新技术，这是先进的加速器和光源操作的核心。这包括产生研究人员珍视的极亮X射线的插入设备，将X射线聚焦到几纳米的透镜，最大化X射线与正在研究的样本相互作用的仪器，以及收集和管理APS发现研究产生的大量数据的软件。

这项研究使用了高级光子源的资源，高级光子源是美国能源部科学办公室的用户设施，由阿贡国家实验室根据第号合同为美国能源部科学办公室运营。De-AC02-06CH11357。