催化劑研究促進(jìn)二氧化碳到乙醇的轉(zhuǎn)化

紐約州阿普頓——科學(xué)家的國(guó)際合作朝著實(shí)現(xiàn)近乎“綠色”的零凈碳技術(shù)邁出了重要一步，該技術(shù)將有效地將二氧化碳(一種主要的溫室氣體)和氫氣轉(zhuǎn)化為乙醇，該技術(shù)可用作一種燃料，還有許多其他化學(xué)應(yīng)用。該研究報(bào)告了成功導(dǎo)航這一具有挑戰(zhàn)性的反應(yīng)的“路線圖”，并使用理論建模和實(shí)驗(yàn)表征提供了完整反應(yīng)序列的圖片。

在美國(guó)能源部 (DOE) 布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)下，該小組確定將氧化銫、銅和氧化鋅結(jié)合在一起形成緊密接觸的配置，可催化將二氧化碳 (CO2) 轉(zhuǎn)化為乙醇 (C2H6O)。他們還發(fā)現(xiàn)了為什么這個(gè)由三部分組成的界面是成功的。該研究在 7 月 23 日美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志在線版的一篇論文中有所描述，并出現(xiàn)在該出版物的封面上，將推動(dòng)進(jìn)一步研究如何開(kāi)發(fā)一種用于選擇性轉(zhuǎn)化 CO2的實(shí)用工業(yè)催化劑成乙醇。這些過(guò)程將導(dǎo)致能夠回收燃燒排放的CO2并將其轉(zhuǎn)化為可用化學(xué)品或燃料的技術(shù)。

研究中檢查的三種組分中沒(méi)有一種能夠單獨(dú)催化 CO2到乙醇的轉(zhuǎn)化，它們也不能成對(duì)催化。但是，當(dāng)三人以某種形式聚集在一起時(shí)，他們相遇的區(qū)域?yàn)樘?碳鍵的形成開(kāi)辟了一條新途徑，使 CO2轉(zhuǎn)化為乙醇成為可能。關(guān)鍵是銫、銅和氧化鋅位點(diǎn)之間的良好相互作用。

“在二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇方面有很多工作，但乙醇比甲醇有很多優(yōu)勢(shì)。作為燃料，乙醇更安全、更有效。但由于反應(yīng)的復(fù)雜性和控制 CC 鍵形成的難度，它的合成非常具有挑戰(zhàn)性，”該研究的相應(yīng)研究員、布魯克海文化學(xué)家劉平說(shuō)。“我們現(xiàn)在知道進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要什么樣的配置，以及每個(gè)組件在反應(yīng)過(guò)程中扮演的角色。這是一個(gè)很大的突破。”

該界面是通過(guò)在氧化鋅表面上沉積微量的銅和銫而形成的。為了研究這三種材料相遇的區(qū)域，該小組轉(zhuǎn)向了一種稱為 X 射線光電子能譜的 X 射線技術(shù)，該技術(shù)表明 CO2的反應(yīng)機(jī)制可能發(fā)生了變化加入銫后氫化。使用兩種廣泛使用的理論方法揭示了更多細(xì)節(jié)：“密度泛函理論”計(jì)算，一種研究材料結(jié)構(gòu)的計(jì)算建模方法，以及“動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅模擬”，一種模擬反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬。在這項(xiàng)工作中，該小組利用了布魯克海文功能納米材料中心和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的計(jì)算資源，這兩個(gè)中心都是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

他們從建模中學(xué)到的一件事是銫是有源系統(tǒng)的重要組成部分。沒(méi)有它的存在，就不能制造乙醇。此外，與銅和氧化鋅的良好配合也很重要。但是還有很多東西需要學(xué)習(xí)。

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