科学家们已经开发出一种利用电力和一种新型催化剂有效地将二氧化碳转化为甲醇的方法，为催化过程和替代燃料生产带来了革命性的见解。

一项研究揭示了一种更有效的制造甲醇的方法。

多年来，化学家们一直在努力从废弃分子中合成有价值的材料。现在，一个国际科学家团队正在研究电如何简化这一过程。

在他们最近发表在《自然催化》杂志上的研究中，研究人员证明了二氧化碳，一种温室气体，可以高效地转化为一种叫做甲醇的液体燃料。

这一过程是通过将酞菁钴(CoPc)分子均匀地散布在碳纳米管上实现的。碳纳米管是一种类似石墨烯的管，具有独特的电性能。它们的表面是一种电解质溶液，通过通电，CoPc分子可以获得电子，并利用它们将二氧化碳转化为甲醇。

观察化学反应

使用一种基于原位光谱的特殊方法来可视化化学反应，研究人员首次看到这些分子将自己转化为甲醇或一氧化碳，这不是期望的产物。他们发现，反应的路径是由二氧化碳分子反应的环境决定的。

通过控制CoPc催化剂在碳纳米管表面的分布方式来调节这种环境，可以使二氧化碳产生甲醇的可能性提高8倍，这一发现可以提高其他催化过程的效率，并对其他领域产生广泛的影响，俄亥俄州立大学化学和生物化学教授罗伯特贝克说。

“当你把二氧化碳转化为另一种产物时，你可以制造出许多不同的分子，”他说。“甲醇绝对是最理想的燃料之一，因为它具有如此高的能量密度，可以直接用作替代燃料。”

虽然将废弃分子转化为有用的产品并不是一个新现象，但到目前为止，研究人员往往无法观察到反应的实际发生方式，这是能够优化和改进该过程的关键见解。

“我们可能会根据经验优化某些东西的工作原理，但我们并不真正了解是什么让它起作用，或者是什么让一种催化剂比另一种催化剂更有效，”贝克说，他专门研究化学反应在不同物体表面发生时是如何变化的。“这些都是很难回答的问题。”

先进光谱学技术

但在特殊技术和计算机建模的帮助下，该团队已经明显接近于掌握这个复杂的过程。在这项研究中，研究人员使用了一种新型的振动光谱学，这使他们能够看到分子在表面上的行为，该研究的主要作者、前俄亥俄州立大学校长学者朱全松说，他具有挑战性的测量对这一发现至关重要。

“我们可以通过它们的振动特征来判断，这是两个不同反应环境中的同一分子，”朱说。“我们能够将其中一个反应环境与产生甲醇联系起来，甲醇是一种有价值的液体燃料。”

根据这项研究，更深入的分析还发现，这些分子与被称为阳离子的增压颗粒直接相互作用，从而增强了甲醇的形成过程。

贝克说，需要更多的研究来了解这些阳离子的其他作用，但这样的发现是实现更有效地制造甲醇的关键。

贝克说:“我们看到了非常重要的系统，并了解了长期以来一直不知道的关于它们的事情。”“了解分子水平上发生的独特化学反应对于实现这些应用非常重要。”

除了作为飞机、汽车和轮船等交通工具的低成本燃料外，可再生电力生产的甲醇还可以用于加热和发电，并推动未来的化学发现。

贝克说:“根据我们在这里学到的东西，接下来会有很多令人兴奋的事情发生，其中一些我们已经开始一起做了。”“这项工作正在进行中。”

参考文献:朱全松、Conor L. Rooney、Hadar Shema、Christina Zeng、Julien A. Panetier、Elad Gross、Hailiang Wang和L. Robert Baker，《电催化CO2还原过程中分子分散钴的溶剂化环境决定甲醇选择性》，2024年7月8日，Nature Catalysis。DOI: 10.1038 / s41929 - 024 - 01190 - 9

合著者包括耶鲁大学的Conor L. Rooney和Hailiang Wang，希伯来大学的Hadar Shema和Elad Gross，宾厄姆顿大学的Christina Zeng和Julien A. Panetier。这项工作得到了美国国家科学基金会和美以两国科学基金会(BSF)国际合作的支持。

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