化學(xué)家設(shè)計(jì)出生產(chǎn)可持續(xù)燃料的新方法

多年來，化學(xué)家們一直致力于利用廢棄分子合成高價(jià)值材料?，F(xiàn)在，國(guó)際科學(xué)家正在合作探索利用電力簡(jiǎn)化這一過程的方法。

研究人員在《自然催化》雜志上發(fā)表的研究中證明，溫室氣體二氧化碳可以高效地轉(zhuǎn)化為一種名為甲醇的液體燃料。

這一過程需要將酞菁鈷 (CoPc) 分子均勻地鋪在碳納米管上，碳納米管是一種具有獨(dú)特電性能的石墨烯類管。碳納米管表面有一層電解質(zhì)溶液，通過電流， CoPc 分子就能獲得電子，并利用電子將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇。

研究人員利用一種基于原位光譜的特殊方法可視化化學(xué)反應(yīng)，首次看到這些分子轉(zhuǎn)化為甲醇或一氧化碳，而這并不是所需的產(chǎn)物。他們發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)的路徑取決于二氧化碳分子反應(yīng)的環(huán)境。

通過控制 CoPc 催化劑在碳納米管表面的分布方式來調(diào)整這種環(huán)境，可使二氧化碳產(chǎn)生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程的效率，并對(duì)其他領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響，這項(xiàng)研究的共同作者、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。

“當(dāng)你把二氧化碳轉(zhuǎn)化成其他產(chǎn)品時(shí)，你可以制造出許多不同的分子，”他說。“甲醇絕對(duì)是最理想的分子之一，因?yàn)樗哪芰棵芏群芨?，可以直接用作替代燃料?rdquo;

雖然將廢棄分子轉(zhuǎn)化為有用產(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)的實(shí)際發(fā)生情況，而這對(duì)于優(yōu)化和改進(jìn)這一過程至關(guān)重要。

“我們可能憑經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了某種物質(zhì)的工作原理，但我們并不真正了解是什么讓它起作用，或者是什么讓一種催化劑比另一種催化劑更有效，”貝克說，他的研究領(lǐng)域是表面化學(xué)，即研究化學(xué)反應(yīng)在不同物體表面發(fā)生時(shí)如何變化。“這些都是很難回答的問題。”

但借助特殊技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模，該團(tuán)隊(duì)已明顯接近掌握這一復(fù)雜過程。這項(xiàng)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，在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種新型振動(dòng)光譜法，這使他們能夠看到分子在表面的行為。朱全松的挑戰(zhàn)性測(cè)量對(duì)這一發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。

朱說：“我們可以通過它們的振動(dòng)特征判斷出，這是同一種分子處于兩種不同的反應(yīng)環(huán)境中。我們能夠?qū)⑵渲幸环N反應(yīng)環(huán)境關(guān)聯(lián)起來，后者負(fù)責(zé)生成甲醇，這是一種有價(jià)值的液體燃料。”

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

貝克說，還需要進(jìn)行更多研究來了解這些陽(yáng)離子還具有哪些功能，但這樣的發(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：“我們看到了非常重要的系統(tǒng)，并了解到人們長(zhǎng)期以來一直想知道的事情。了解分子水平上發(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。”

除了作為飛機(jī)、汽車和船舶等交通工具的低成本燃料外，由可再生電力生產(chǎn)的甲醇還可用于供暖和發(fā)電，并推動(dòng)未來的化學(xué)發(fā)現(xiàn)。

“根據(jù)我們?cè)谶@里學(xué)到的知識(shí)，接下來可以實(shí)現(xiàn)很多令人興奮的事情，其中??一些我們已經(jīng)開始合作了，”貝克說。“這項(xiàng)工作正在進(jìn)行中。”

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