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美因茨約翰內斯古騰堡大學（Johannes Gutenberg University，JGU）的研究人員公布了一種將二氧化碳（CO2）轉化為乙醇的開創性方法，為化學應用和能源儲存提供了一種可持續的替代方案。這項技術由JGUs化學系的Carsten Streb教授領導，提供了一種將二氧化碳排放作為閉環碳循環的一部分重新利用的途徑，具有在工業上更廣泛應用的潛力。
“我們可以從環境中去除溫室氣體二氧化碳，并將其重新引入可持續的碳循環，”Streb說。他的研究重點是通過電催化將二氧化碳轉化為乙醇。當與綠色能源相結合時，這一過程可以減少對糧食作物的依賴，如玉米，傳統上用于生產燃料乙醇。Streb補充說，雖然該工藝目前在實驗室規模上運行，但它有望大規模應用。這項研究的結果發表在ACS催化雜志上。
鈷銅催化劑在CO2轉化中具有高選擇性
二氧化碳的電化學轉化為多碳化合物，如乙醇，是捕獲二氧化碳和生產有價值的工業材料的有效方法。然而，成功與否取決于使用的催化劑能否達到高選擇性，從而保證乙醇的高產量。Streb解釋說：“為了實現這一目標，我們需要合適的催化劑，能夠高選擇性地進行這種轉化，這樣我們就能獲得高產量的期望產物，在我們的情況下，就是乙醇。”
研究小組設計了一種專門的電極，上面仔細地涂上了一層黑色的鈷銅粉末，數量和位置都很精確。這種串聯裝置允許鈷最初分解二氧化碳中的強鍵，產生一氧化碳。然后銅成分催化從一氧化碳到乙醇的轉化，這一過程只有當兩種金屬都正確地放置在電極上時才能成功。Streb說，最初的挑戰是讓二氧化碳發生反應。分子原子之間的鍵非常牢固，但鈷可以破壞它們。
提高效率，擴大應用
目前，該方法將二氧化碳轉化為乙醇的選擇性達到80%，是迄今為止報道的最高選擇性。Soressa Abera Chala博士是這項研究的主要作者，作為JGU的洪堡研究員，他在這項優化中發揮了重要作用。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研究做出了貢獻。目前正在努力將這種選擇性提高到90%到95%之間，目標是最終達到100%，屆時只生產乙醇作為最終產品。
燈光下的協同努力
作為合作研究中心/跨區域CataLight（CRC/TRR 234）的一部分，與烏爾姆大學的合作對這項研究至關重要。通過先進的電子顯微鏡，研究小組可以觀察催化劑上單個原子的位置，使他們能夠改進電極的組成。
對鈷和銅的關注源于它們的豐富和可負擔性，這使得該工藝無需昂貴的貴金屬（如鉑）即可實現。我們需要看到單個原子，這可以用一種特殊的電子顯微鏡來實現，Streb說。這項研究的目的是創造一種穩定的催化劑，可以長時間保持效率。
一條通向乙醇生產的可持續道路
這種技術為從二氧化碳和綠色電力中生產乙醇提供了一個機會，可以減輕對用于生物燃料生產的糧食資源的需求。Streb強調，通過使用全球可用的原材料作為催化劑，我們正在遵循當前研究中越來越關注非貴金屬的方法。這項技術可以提供可持續的乙醇，減少對目前用于乙醇生產的甘蔗和玉米等農作物的依賴，特別是在巴西等地區。這一發展為生產乙醇提供了一種可擴展的解決方案，這種乙醇可以儲存并用于按需發電。
SusInnoScience研究背景
Streb教授于2022年加入JGU，參與了幾個由德國科學和教育基金會支持的可持續催化合作研究項目。他的工作是JGU頂級研究領域SusInnoScience的一部分，該領域旨在促進可持續的化學創新，以實現資源節約型科學。JGU頂級研究領域SusInnoScience-可持續化學作為人類世資源節約型科學創新的關鍵CRC/Transregio 234：光驅動分子催化劑在分層結構材料中的合成和機理研究（CataLight），由德國研究基金會（DFG）資助。
（素材來自：Johannes Gutenberg University 全球生物質能源網、全球綠色燃料網、新能源網綜合） |
