用二氧化碳能做衣服？制香水？造玩具？這不是夢，而是華中科技大學光電信息學院龐元杰教授團隊歷時4年的最新研究成果。團隊聯合多倫多大學E. H. Sargent小組、武漢理工大學麥立強小組，以二氧化碳為原料高效制備醋酸，多項指標打破世界紀錄。成果于5月3日在國際權威期刊《自然》發表。
進軍：兩步還原改變二氧化碳
醋酸，又名乙酸，是一種重要的有機化工原料，大量應用于化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等制造過程。
(資料圖片)
據了解，傳統方法生產醋酸通常是采用化學合成或淀粉發酵法，用這些方法，每生產1千克醋酸會排放約1.6千克二氧化碳。我國作為全世界第一大醋酸生產國，醋酸年產量超過800萬噸，生態環境面臨巨大壓力。
2018年夏，龐元杰教授回國，帶著一生所學投入“零碳”制造領域。他介紹，電催化二氧化碳還原技術是極具潛力的清潔能源存儲手段，當時國際上有“一步法”“兩步法”兩種途徑，但穩定性和能量轉化率都不理想。龐元杰組建國內團隊后，選擇步驟復雜但前景光明的“兩步法”：先將二氧化碳轉化為一氧化碳，再將一氧化碳升級還原，并開始攻堅乙酸的“零碳”合成。
首先要“搭廠房”（高壓強三相界面反應裝置），讓二氧化碳在其中“變身”。“廠房”不好搭，得把以前的常壓升級為高壓，花了將近一年時間，團隊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中效率最高的催化劑之一，但為了專門合成乙酸，團隊必須選擇含銅較低的催化劑。如何發揮其最大效果，團隊選擇將銅分散在金、銀、鎳三種金屬中，反復實驗，觀察出銀與銅結合反應最高效。
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-碳偶聯步驟，最終高產率合成乙酸。
決戰：一氣呵成沖上八百小時
從2018年9月項目啟動，年輕的團隊成員和老師龐元杰就泡在了實驗室。
二氧化碳轉化“廠房”能連續運行多久？這是穩定性的重要體現。從50小時開始，他們一步步往上提升。那段時間，龐元杰將團隊微信群名改為“決戰！！200小時”，誓達目標。“當時我們把其它實驗都停了，不允許外人進入實驗室，全力攻關，沒想到那一次，指針沖上200小時還不停，一直沖，一直沖，直到停在了820小時，我們激動萬分……”
此前，他們有著向《自然》投稿被要求“返修”的痛苦，有著無數次實驗的停滯，但在那一刻，都化作歷經千辛萬苦后的喜悅。當穩定性測試在2022年年底完成，那個春節也成為他們最開心的春節。
不懈：終于找到“消失”的乙酸
電解后，產物分解檢測出現了奇怪的現象：所有產物加起來不到100%，有一小部分不見了。它們去哪兒了？團隊不放過這個細節，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”到了陽極。及時更換滲透膜，就能避免日后的乙酸“消失”。龐元杰說，科學精神的關鍵是創新，也是不放過每個細節的嚴謹。
歷時4年，龐元杰團隊研究成果“限制二碳吸附基團構象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”顯示，該實驗使用一氧化碳和水為原料，生成乙酸這一種主要產物，并能夠連續820小時保持乙酸生成率80%以上，在選擇性、能量轉化效率、穩定性上打破了現有世界紀錄。
研究成果于5月3日在《自然》發表。華中科技大學光電信息學院博士后金健、博士生閔秋紅，多倫多大學的Josh Wicks和上海交通大學的李俊教授為論文第一作者。龐元杰教授、多倫多大學E. H. Sargent教授、武漢理工大學麥立強教授為論文通訊作者。
龐元杰介紹，技術可行性分析報告顯示，這一成果在同類技術中性能最高、成本最低。
利用該技術，不僅是醋酸這類羧酸類化學品，烴類、醇類等重要化學品也有望實現“零碳”制造，讓二氧化碳在醫藥、燃料、化工原料的生產過程中得到更廣泛的應用。該技術可以將太陽能發電板發出的電能轉換為便于儲存的燃料化學能，再將燃料化學能有序釋放，實時滿足生活和生產的各種用能需求。選用合適的催化劑還可以進行乙醇（酒精）的生產，從而擺脫對以農作物為原料生產乙醇的依賴，減少對土地和糧食的資源消耗，使乙醇能夠更大范圍地應用于清潔能源。
“下一步，我們要沖擊1萬小時！那到時，工業應用指日可待。”龐元杰充滿信心。
（湖北日報全媒記者 方琳 通訊員 高翔 劉雪茹 范千）
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