用二氧化碳能做衣服？制香水？造玩具？這不是夢(mèng)，而是華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院龐元杰教授團(tuán)隊(duì)歷時(shí)4年的最新研究成果。團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多倫多大學(xué)E. H. Sargent小組、武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)小組，以二氧化碳為原料高效制備醋酸，多項(xiàng)指標(biāo)打破世界紀(jì)錄。成果于5月3日在國(guó)際權(quán)威期刊《自然》發(fā)表。
進(jìn)軍：兩步還原改變二氧化碳
醋酸，又名乙酸，是一種重要的有機(jī)化工原料，大量應(yīng)用于化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等制造過程。
(資料圖片)
據(jù)了解，傳統(tǒng)方法生產(chǎn)醋酸通常是采用化學(xué)合成或淀粉發(fā)酵法，用這些方法，每生產(chǎn)1千克醋酸會(huì)排放約1.6千克二氧化碳。我國(guó)作為全世界第一大醋酸生產(chǎn)國(guó)，醋酸年產(chǎn)量超過800萬(wàn)噸，生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力。
2018年夏，龐元杰教授回國(guó)，帶著一生所學(xué)投入“零碳”制造領(lǐng)域。他介紹，電催化二氧化碳還原技術(shù)是極具潛力的清潔能源存儲(chǔ)手段，當(dāng)時(shí)國(guó)際上有“一步法”“兩步法”兩種途徑，但穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)化率都不理想。龐元杰組建國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)后，選擇步驟復(fù)雜但前景光明的“兩步法”：先將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，再將一氧化碳升級(jí)還原，并開始攻堅(jiān)乙酸的“零碳”合成。
首先要“搭廠房”（高壓強(qiáng)三相界面反應(yīng)裝置），讓二氧化碳在其中“變身”。“廠房”不好搭，得把以前的常壓升級(jí)為高壓，花了將近一年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)博士后金健終于做出雛形。
其次是選擇催化劑。銅基催化劑是二氧化碳電催化還原反應(yīng)中效率最高的催化劑之一，但為了專門合成乙酸，團(tuán)隊(duì)必須選擇含銅較低的催化劑。如何發(fā)揮其最大效果，團(tuán)隊(duì)選擇將銅分散在金、銀、鎳三種金屬中，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察出銀與銅結(jié)合反應(yīng)最高效。
在“廠房”的高氣壓條件下，氣液平衡，通道順暢，碳原子們“手拉手站起來”，完成碳-碳偶聯(lián)步驟，最終高產(chǎn)率合成乙酸。
決戰(zhàn)：一氣呵成沖上八百小時(shí)
從2018年9月項(xiàng)目啟動(dòng)，年輕的團(tuán)隊(duì)成員和老師龐元杰就泡在了實(shí)驗(yàn)室。
二氧化碳轉(zhuǎn)化“廠房”能連續(xù)運(yùn)行多久？這是穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)。從50小時(shí)開始，他們一步步往上提升。那段時(shí)間，龐元杰將團(tuán)隊(duì)微信群名改為“決戰(zhàn)！！200小時(shí)”，誓達(dá)目標(biāo)。“當(dāng)時(shí)我們把其它實(shí)驗(yàn)都停了，不允許外人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，全力攻關(guān)，沒想到那一次，指針沖上200小時(shí)還不停，一直沖，一直沖，直到停在了820小時(shí)，我們激動(dòng)萬(wàn)分……”
此前，他們有著向《自然》投稿被要求“返修”的痛苦，有著無數(shù)次實(shí)驗(yàn)的停滯，但在那一刻，都化作歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦后的喜悅。當(dāng)穩(wěn)定性測(cè)試在2022年年底完成，那個(gè)春節(jié)也成為他們最開心的春節(jié)。
不懈：終于找到“消失”的乙酸
電解后，產(chǎn)物分解檢測(cè)出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：所有產(chǎn)物加起來不到100%，有一小部分不見了。它們?nèi)ツ膬毫耍繄F(tuán)隊(duì)不放過這個(gè)細(xì)節(jié)，排除種種，終于找回“消失”的那部分，原來，乙酸是透過滲透膜“跑”到了陽(yáng)極。及時(shí)更換滲透膜，就能避免日后的乙酸“消失”。龐元杰說，科學(xué)精神的關(guān)鍵是創(chuàng)新，也是不放過每個(gè)細(xì)節(jié)的嚴(yán)謹(jǐn)。
歷時(shí)4年，龐元杰團(tuán)隊(duì)研究成果“限制二碳吸附基團(tuán)構(gòu)象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”顯示，該實(shí)驗(yàn)使用一氧化碳和水為原料，生成乙酸這一種主要產(chǎn)物，并能夠連續(xù)820小時(shí)保持乙酸生成率80%以上，在選擇性、能量轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定性上打破了現(xiàn)有世界紀(jì)錄。
研究成果于5月3日在《自然》發(fā)表。華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院博士后金健、博士生閔秋紅，多倫多大學(xué)的Josh Wicks和上海交通大學(xué)的李俊教授為論文第一作者。龐元杰教授、多倫多大學(xué)E. H. Sargent教授、武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授為論文通訊作者。
龐元杰介紹，技術(shù)可行性分析報(bào)告顯示，這一成果在同類技術(shù)中性能最高、成本最低。
利用該技術(shù)，不僅是醋酸這類羧酸類化學(xué)品，烴類、醇類等重要化學(xué)品也有望實(shí)現(xiàn)“零碳”制造，讓二氧化碳在醫(yī)藥、燃料、化工原料的生產(chǎn)過程中得到更廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)可以將太陽(yáng)能發(fā)電板發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為便于儲(chǔ)存的燃料化學(xué)能，再將燃料化學(xué)能有序釋放，實(shí)時(shí)滿足生活和生產(chǎn)的各種用能需求。選用合適的催化劑還可以進(jìn)行乙醇（酒精）的生產(chǎn)，從而擺脫對(duì)以農(nóng)作物為原料生產(chǎn)乙醇的依賴，減少對(duì)土地和糧食的資源消耗，使乙醇能夠更大范圍地應(yīng)用于清潔能源。
“下一步，我們要沖擊1萬(wàn)小時(shí)！那到時(shí)，工業(yè)應(yīng)用指日可待。”龐元杰充滿信心。
（湖北日?qǐng)?bào)全媒記者 方琳 通訊員 高翔 劉雪茹 范千）
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