賓夕法尼亞州立大學的研究人員稱，在將二氧化碳(一種溫室氣體)轉(zhuǎn)化為甲醇的過程中，已經(jīng)取得了巨大的進步。

大氣二氧化碳濃度正在增加，氣候變化正成為全球關(guān)注的問題，需要全球努力減少二氧化碳排放。一種方法是用二氧化碳作為碳源與氫反應(yīng)，氫是用可再生能源從水中產(chǎn)生的，反應(yīng)合成甲醇。這將有助于減少二氧化碳排放，減輕對化石燃料的依賴。

研究人員通過開發(fā)一種新型催化劑，利用鈀和銅的特定配方，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇。甲醇由氫、氧、碳四部分組成。該理論和實驗工作最近發(fā)表在ACS催化上，是與中國大連理工大學聯(lián)合賓大聯(lián)合能源研究中心合作進行的多年綜合實驗和計算研究的結(jié)果。賓大-大連合作研究發(fā)現(xiàn)了將這兩種金屬結(jié)合為催化劑的好處。

將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇的一個關(guān)鍵因素是找到一種好的催化劑，使甲醇能夠以高效率的高選擇性生產(chǎn)。在鈀-銅原子比為0.3 - 0.4的范圍內(nèi)，將鈀和銅結(jié)合在一起，利用分散在多孔支撐材料上的催化劑納米顆粒，使甲醇從二氧化碳中得到最有效的轉(zhuǎn)化，增加了催化劑的表面積。使用核桃大小的催化劑，催化劑的內(nèi)部表面積將覆蓋足球場的面積。

研究人員發(fā)現(xiàn)，使用這兩種金屬的精確原子比，新配方使甲醇生成率比鈀本身增加了三倍，比銅本身增加了四倍，這比以前的方法有了顯著的改進。

研究所把這個過程比作一只貓在觸媒上抓老鼠。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，你需要二氧化碳——貓——和氫氣——老鼠。但是你需要為貓成功地抓住老鼠創(chuàng)造理想的條件。如果貓夠不到老鼠，或者環(huán)境讓它慢下來，貓就不會那么成功。

這是因為，結(jié)合兩種金屬的催化劑不僅可以降低能量需求，加速二氧化碳和氫氣的反應(yīng)，而且還可以改變反應(yīng)路徑，以生產(chǎn)出更理想、更高效的產(chǎn)品。

“傳統(tǒng)的研究集中在銅上，但這并不能產(chǎn)生有效的結(jié)果，”宋說。鈀也是如此。但將鈀和銅結(jié)合在一起會產(chǎn)生一種獨特的表面結(jié)構(gòu)，顯示出從二氧化碳中生成甲醇的特殊選擇性。這項研究提供了關(guān)于將這兩種金屬結(jié)合在一起的協(xié)同效應(yīng)的基本見解。

為了生成甲醇，研究人員將氫氣和二氧化碳泵入裝有催化劑的反應(yīng)堆容器的密封室，并將其加熱到356到482華氏度之間。二氧化碳到甲醇的最大轉(zhuǎn)化量約為24%，而未轉(zhuǎn)化的二氧化碳和氫氣將被循環(huán)利用，并在工業(yè)環(huán)境中返回到容器中，就像用一氧化碳和氫氣合成傳統(tǒng)甲醇一樣。

二氧化碳加氫過程通過分解水，利用可再生能源生成氫氣，然后與催化劑表面的二氧化碳結(jié)合生成甲醇。宋說，因為他們的催化劑鼓勵了高選擇性，所以更多的產(chǎn)品會生成甲醇。

甲醇被用來制造許多材料和燃料，從膠粘劑和膠合板底層到水瓶、防皺襯衫和柴油燃料。它也是一種用于制造防凍劑、擋風玻璃清洗液、溶劑和其他產(chǎn)品的化學物質(zhì)。宋通過賓夕法尼亞州立大學-大連聯(lián)合能源研究中心，正在積極開發(fā)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為工業(yè)上有用的化學物質(zhì)、燃料和塑料等材料的新型催化劑。

宋說，利用可再生能源利用二氧化碳高效地制造燃料和工業(yè)化學品被認為是應(yīng)對氣候變化的圣杯，因為這些燃料甚至比碳中性或可再生燃料更好。這一過程實質(zhì)上是將溫室氣體轉(zhuǎn)化為燃燒時排放二氧化碳的燃料。當這個過程與從環(huán)境中捕獲的二氧化碳結(jié)合在一起時，相當于回收二氧化碳，而不是創(chuàng)造或避免它。

“我們目前的能源系統(tǒng)很大程度上依賴于碳基化石能源，”宋說?！凹词故巧锪?、沼氣和有機垃圾等可再生燃料，都是基于碳的。但在未來，碳從何而來?如果我們開始使用二氧化碳中的碳，我們可以回收它，創(chuàng)造一個可持續(xù)的碳基能源循環(huán)，然后穩(wěn)定大氣中的二氧化碳濃度。這就是為什么我對此充滿激情。