活性炭上的铜簇催化剂。Credit: Cedric Koolen （EPFL）
由EPFL、哥本哈根大学和上海大学领导的科学家们已经开发出一种铜催化剂，可以有效地将二氧化碳转化为乙醛，乙醛是制造业中使用的一种关键化学物质。这一突破为以化石燃料为基础的过程提供了一种绿色替代方案。
乙醛是一种重要的化学物质，用于制造从香水到塑料的所有东西。如今，它的生产主要依赖于乙烯，一种石化产品。但越来越多的环境问题促使化学工业减少对化石燃料的依赖，因此科学家们一直在寻找更环保的方法来生产乙醛。
目前，乙醛是通过所谓的“瓦克工艺”生产的，这是一种化学合成方法，将石油和天然气中的乙烯与其他化学物质（如强酸，即盐酸）结合使用。瓦克工艺不仅碳排放量大，而且资源重，从长远来看是不可持续的。
解决这个问题的一个很有希望的方法是电化学将二氧化碳还原成有用的产品。由于二氧化碳是一种导致全球变暖的废物，这种方法同时解决了两个环境问题：减少二氧化碳排放和创造有价值的化学物质。
提高效率的创新催化剂
铜基催化剂已经显示出这种转变的潜力，但到目前为止，它们一直在与低选择性作斗争——这意味着它们产生的产物是混合物，而不是期望的乙醛。
现在，由EPFL的Andreas z
ttel、哥本哈根大学的Jack K. Pedersen和上海大学的Wen Luo领导的一个公私合作联盟的科学家们开发了一种新型铜基催化剂，可以选择性地将二氧化碳转化为乙醛，效率高达92%。
这一突破发表在《自然合成》杂志上，提供了一种更环保、更可持续的生产乙醛的方法，可以取代瓦克工艺。此外，该催化剂具有可扩展性和成本效益，为工业应用打开了大门。
“在过去的60年里，瓦克工艺实际上没有改变。它仍然是基于相同的基本化学。实现绿色突破的时机已经成熟，”库伦说。
“迷人的化学”
研究人员开始使用火花烧蚀的方法合成微小的铜颗粒簇，每个约1.6纳米大小。这项技术涉及在惰性气体环境中气化铜电极，并允许科学家精确控制颗粒大小。然后将铜簇固定在碳载体上，以创建稳定且可重复使用的催化剂。
该研究的共同主要作者塞德里克·大卫·库伦在可再生能源材料实验室与用于产生簇的火花烧蚀装置合影。来源:欧洲。
在实验室中，研究小组通过在受控环境中与二氧化碳进行一系列电化学反应来测试催化剂的性能。利用同步加速器——一种产生非常明亮光源的大型设备——研究小组通过一种叫做x射线吸收光谱的技术确保铜簇积极地将二氧化碳转化为乙醛。
结果是显著的。铜簇在相对较低的电压下对乙醛的选择性达到92%，这对提高能源效率至关重要。在30小时的压力测试中，该催化剂表现出很高的稳定性，可以在多个循环中保持其性能。研究人员还发现，铜颗粒在整个反应过程中保持了它们的金属性质，这有助于催化剂的寿命。
“真正让我们惊讶的是，即使在去除电位并暴露在空气中之后，铜仍然是金属的，”共同主要作者罗文说。”。“铜通常会疯狂地氧化，尤其是那么小的铜。但在我们的例子中，在星团周围形成了一层氧化壳，保护核心免受进一步氧化。这就解释了这种材料的可回收性。有趣的化学反应。”
塞德里克·大卫·库伦展示了一个用于可再生能源材料实验室的电化学电池。来源:欧洲
成功的关键
为什么这种新催化剂效果这么好？计算模拟表明，铜簇具有特定的原子结构，可以促进二氧化碳分子的结合和转化，从而有利于乙醛的产生，而不是其他可能的产物，如乙醇或甲烷。
“我们的方法的伟大之处在于它可以应用于任何其他催化剂系统，”共同主要作者杰克K.彼得森说。“有了我们的计算框架，我们可以快速筛选有希望的特征集群。如果是为了减少二氧化碳，或电解水，我们可以用火花烧蚀轻松地生产新材料，并直接在实验室进行测试。这比典型的测试-学习-重复循环要快得多。”
新型铜催化剂是迈向绿色工业化学的重要一步。如果扩大规模，它可以取代瓦克工艺，减少对石化产品的需求，减少二氧化碳排放。由于乙醛是许多其他化学物质的组成部分，这项研究有可能改变从制药到农业等多个行业。
这项研究也被作为自然合成研究简报。
其他贡献者
Empa材料科学与技术
哥本哈根大学
VSPARTICLE
保罗·谢勒研究所，瑞士
EPFL Enviro政府工程学院
代尔夫特工业大学
上海大学
