打破多项世界纪录！华科大新技术再登《自然》！

亦心绿

+ x, V9 o3 F, j+ l


! z1 }% W1 `7 L, K什么？二氧化碳可以制衣服？
- @+ o/ t$ E) }* P$ M0 n7 f还能制香水、做玩具？
你没看错——
( y) ~( I# O9 L# x  D华中科技大学光电信息学院
庞元杰教授团队历时 4 年
以二氧化碳为原料高效制备醋酸
# y+ i: I, j; ?' `! ~# x揭开了 " 零碳 " 制造梦想的一角
- M: b5 y9 J6 ?, l团队研究成果
于 5 月 3 日发表于
1 o$ b; n+ u) H国际著名学术期刊《自然》
1 S; l  R+ L8 S/ [成果在多项指标上
+ ?4 K+ L# q6 l1 V8 x0 {4 A大幅打破了世界纪录
醋酸，又名乙酸，是一种重要的有机化工原料，制造化纤衣物、香水香氛、塑料加工品等都需要大量使用醋酸这一原料。" 传统方法生产醋酸通常是采用化学合成或淀粉发酵法，用这些方法，每生产 1 千克醋酸会排放约 1.6 千克二氧化碳。" 我国作为全世界第一大醋酸生产国，醋酸年产量超过 800 万吨，给生态环境带来了巨大压力。" 我们团队一直致力于‘零碳’制造，不仅让生产醋酸的过程中不产生二氧化碳，还能够消耗二氧化碳制备醋酸，希望为实现‘双碳’目标贡献一份科技力量。" 庞元杰说。
( v, f' ^$ q' N+ n' k: U( e' H
  |9 X( A# U8 d! [
7 Q' K$ K7 G1 B5 c+ j9 f. Y( @7 x
本文的理论计算，表明铜 - 银稀释合金催化剂表面更利于单齿型吸附的 *C=C=O 二碳基团的生成，以及其需要更高的 CO 表面覆盖度以保证碳 - 碳偶联的高效发生。
铜 - 银稀释合金催化剂在高压反应装置中取得的性能：在 10 个大气压工况的流式反应池中，乙酸电合成选择性可达 91%；在 10 个大气压工况的膜电极组件反应池中，乙酸电合成选择性可达 85% 并能在 80% 左右保持 820 小时以上。
为了实现梦想，庞元杰团队以醋酸为目标产物，联合多伦多大学 E. H. Sargent 小组、武汉理工大学麦立强小组，通过电催化二氧化碳还原技术，实现了醋酸的 " 零碳 " 制造。研究成果 " 限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原 " 显示，该实验使用二氧化碳和水为原料，生成乙酸这一种主要产物，并能够连续 820 小时保持乙酸生成率 80% 以上，在选择性、能量转化效率、稳定性上打破了现有世界纪录。
2 u  J( A, y5 j
: ]1 A' D/ V( c' M3 z
6 X$ F1 {3 G# G4 J; U& l) a" @: ^
2 y$ O& J/ s- N; K$ _图为团队合影
6 c& J) o! b! f* p3 F$ U# ]1 L: r. Y% W, w电催化二氧化碳还原技术是一种极具潜力的清洁能源存储手段。但是在电解过程中，如何高选择性、高速地生产单一高附加值产物却是团队困扰已久的问题。电解水只可以获得氧气和氢气，电解二氧化碳却可以获得 20 余种产物。" 为了稳定醋酸的生成率，我们要解决的首要问题就是反应装置的设计与搭建，其次是催化剂的选择。" 庞元杰表示，利用高压装置和催化剂上的创新，团队以电催化二氧化碳还原技术为基础，采用 " 两步法 " 二氧化碳还原途径，稳定住醋酸反应路径的关键中间基团，最终高产率合成了醋酸。
$ w. G7 F  Y) W2 \6 K' Q' u

9 v% q& P  H5 E- Y1 [. h$ n
利用该技术，不仅是醋酸这类羧酸类化学品，烃类、醇类等重要化学品也有望实现 " 零碳 " 制造，让二氧化碳在医药、燃料、化工原料的生产过程中得到更广泛的应用。该技术可以将太阳能发电板发出的电能转换为便于储存的燃料化学能，再将燃料化学能有序释放，实时满足生活和生产的各种用能需求。选用合适的催化剂还可以进行乙醇（酒精）的生产，从而摆脱对以农作物为原料生产乙醇的依赖，减少对土地和粮食的资源消耗，使乙醇能够更大范围地应用于清洁能源。
1 P. i8 B0 ~( K! S
$ }! b9 P* B7 C7 E# [9 n