韩国科学家将二氧化碳转化为液态黄金
随着气候变化持续加剧，碳排放量创历史新高，寻找有效的二氧化碳 (CO2) 回收方法的紧迫性比以往任何时候都更加突出。随着全球碳中和运动的势头强劲，将二氧化碳转化为有用燃料和化学品的创新方法正迅速引起人们的关注。其中，将二氧化碳转化为醇基产品尤其具有前景，因为这些化合物具有高能量和经济价值。尽管潜力巨大，但长期以来，该工艺效率低下，且难以大规模工业化生产一直受到阻碍。
韩国光州科学技术研究院 (GIST) 的研究人员开发出一种新颖的电化学方法，通过独特的催化途径将二氧化碳转化为烯丙醇，创下了二氧化碳转化效率的全球新高。图片来源：Jaeyoung Lee 教授
近日，韩国光州科学技术研究院（GIST）的科学家团队在Jaeyoung Lee教授、Minjun Choi博士和Sooan Bae博士的带领下，在该领域取得了重大突破。
他们提出的二氧化碳转化为酒精的新方法将卓越的效率与大规模生产能力相结合，创造了全球性能纪录。他们的研究发表在《自然-催化》杂志上，揭示了一种将二氧化碳转化为“烯丙醇”的电化学技术。烯丙醇是一种具有多种工业应用价值的高价值化合物。
二氧化碳电化学还原技术是碳中和时代的关键技术，可以将二氧化碳（全球变暖的罪魁祸首）转化为有用的物质。然而，选择性地生产含有三个或三个以上碳原子的高附加值化合物（例如烯丙醇）面临着诸多挑战。首先，目前的方法法拉第效率非常低——实际使用的电能中只有不到15%用于生产所需的化合物，其余的都被浪费了。其次，反应路径复杂，中间体稳定性低，也加剧了该工艺的低效率。
李教授解释说： “烯丙醇 (C3H6O )是一种非常有用的物质，可用于各种化学反应。但由于碳-碳 (C-C) 键的形成过程复杂，且反应中间体的稳定性较低，因此很难以液态生产这些高附加值的化合物。”
研究人员开发的技术令人瞩目。团队将磷化铜（CuP₂）与镍铁（NiFe）氧化催化剂整合到膜电极组件中，从而制备出一种富磷铜催化剂。在电化学装置中使用该催化剂，法拉第效率达到66.9%，比目前最佳技术（<15%）高出约4倍。如此高的效率证明了该催化剂卓越的选择性，能够最大限度地减少不必要的副产物生成，并选择性地仅生成所需物质。
此外，该技术还记录了735.4 mA cm−2的部分电流密度和1643 μmol cm −2 h −1的生产速率，同时电极单位面积可施加1100 mA cm −2的电流。这些指标代表了迄今为止已报道的最高性能，也凸显了其大规模应用的潜力。
由于烯丙醇是塑料、粘合剂、消毒剂和香料等各个行业的重要原材料，这项技术可能会改变其大规模生产。
此外，该方法的机理也独具特色。传统方法通过一氧化碳途径进行，而该方法揭示了一条新的反应路径，即在甲酸酯转化为甲醛的中间体基团过程中形成了碳-碳（C-C）键。这种机理直接生成液体，更易于储存和运输，大大提升了产品的商业价值。
该技术标志着碳中和时代的突破，有望通过选择性地将仅含有一个碳原子的CO2转化为含有三个或三个以上碳原子的多碳高附加值化合物（C3 +）烯丙醇，为经济型电化学碳捕获与利用技术开辟新途径。
李教授强调： “这项二氧化碳转化技术有望为面临日益增长的排放压力的煤炭、石化和钢铁行业开辟新的商业方向。我们认为，这是通过可扩展的科学技术迈向碳中和时代的关键一步。”
通过将研究重点从传统的C1和C2目标转移到其他目标，该研究将二氧化碳增值的范围拓展到更复杂、价值更高的分子。Choi博士澄清说，虽然该方法前景广阔，但进一步集成到连续流和零间隙膜电极组装系统中，或许能够实现利用二氧化碳进行液体燃料和化学前体的可扩展、可持续生产——这将显著减少对化石燃料的依赖，并为更绿色的未来铺平道路。
编译自/scitechdaily
