科学家们希望将二氧化碳转化为清洁燃料和有用的化学品，但经常会产生氢气和碳酸盐等不想要的副产品。芝加哥大学普利兹克分子工程学院的一篇新论文找到了一条更清洁的途径。
二氧化碳是一种温室气体，1990年至2022年间，地球大气能量平衡变化的78%是由二氧化碳造成的。
二氧化碳是燃烧化石燃料的副产品，汽车尾气和燃煤电厂排放的二氧化碳进入大气。即使是一些可再生能源也会产生少量二氧化碳，尽管这只相当于煤炭和天然气排放量的一小部分。
这种分子的核心只是一个碳原子和两个氧原子的排列，可以通过电化学二氧化碳还原(CO2R)过程重组为清洁燃料和有用的化学品。但这个过程通常是有损失的，因为竞争过程会将原子拉向不想要的方向，从而产生不想要的副产品。
在今日发表于《自然催化》杂志的一篇论文中，芝加哥大学普利兹克分子工程学院Amanchukwu实验室的研究人员概述了一种操纵水分子以提高CO2R效率的方法，最终目标是创建清洁能源循环。
通过新方法，该团队能够在弱酸性条件下使用金或锌作为催化剂，以接近100%的效率进行CO2R。
“想象一下，我们可以从太阳能和风能中获取绿色电力，然后利用这些电力将二氧化碳转化回燃料，”新论文的第一作者、PME博士候选人雷吉·戈麦斯(ReggieGomes)说道。
与HER竞争
电化学分解分子就像台球游戏中的开球。之前的排列会消失，球会散落在桌子上，以新的组合形式停下，但并不总是玩家想要的组合。
同样，进行CO2R的研究人员使用电和水来分解和重新排列有害的温室气体。这使得二氧化碳中的碳原子和氧原子与水中的氢原子在桌子上碰撞。
如果它按预期发挥作用，原子就会形成其他更理想的分子，可用作燃料或化学品。
但随着原子分散，两个氢原子通常会形成稳定的配对，这一过程称为氢释放反应(HER)。这使得CO2R效率降低，因为变成氢气的能量和原子不能成为科学家们试图创造的分子的一部分。
即使在少量的水中，CO2R也总是与HER竞争。
Amanchukwu实验室以其电池研究而闻名，它将水性电池的见解应用于该问题，假设用有机溶剂控制水可以提供解决方案。
闪闪发光
CO2R和HER都依赖水作为质子供体。通过使用有机溶剂和酸性添加剂，该团队能够调整水的行为，找到最佳点，让水提供适量的质子来生成所需的分子，而不是氢气和其他不需要的物质，如碳酸盐。
“在普通化学中，我们知道二氧化碳与氢氧化物反应生成碳酸盐。这是不受欢迎的，因为它会耗尽我们想要利用的分子，”诺伊鲍尔家族分子工程助理教授奇布泽·阿曼丘库(ChibuezeAmanchukwu)说道。
许多最有效的CO2R方法都依赖于贵金属。
“铂、银、金——就研究目的而言，它们是极好的催化剂，”戈麦斯说。“它们是非常稳定的材料。但当你考虑工业应用时，它们的成本就变得过高了。”
通过设计电解质，新方法可以使用更便宜、更丰富的材料获得类似的结果。
“目前，在室温下用电化学方法实现这一目标的最佳方法是使用贵金属。金和银可以稍微抑制氢气的析出反应，”Amanchukwu说。“由于我们的发现，我们现在可以使用地球上储量丰富的金属锌，因为我们现在有了另一种控制水的方法。”