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新催化劑將二氧化碳轉化為一氧化碳和氧氣
來源:中國科學報   發布者:張薦轅   日期:2015-09-09   今日/總瀏覽:2/3928

植物擅長把二氧化碳從空氣中分離出來。但它們太慢了,科學家希望能夠加快這一從大氣中去除溫室氣體的過程。如今,美國研究人員報告說,通過開發出一種能夠將二氧化碳轉化為一氧化碳和氧氣的多孔材料,他們已朝著這一目標邁出了第一步。研究人員指出,新材料不但能夠清潔我們的天空,還可能成為制造源自可再生能源的燃料的新起點。

幾十年來,化學家們一直試圖用二氧化碳做一些有意義的事情。但二氧化碳是一種非常穩定且不易起化學反應的分子。為了將其分離為一氧化碳和氧氣,研究人員不得不添加能量,通常是電力。但人們現在已經不這么做了,因為精煉石油制造燃料要便宜得多。然而一些催化劑(能夠加速化學反應的物質)卻能夠使這一過程變得更為廉價。

一種有希望的催化劑是在中心具有一個鈷原子的環形有機分子,即所謂的卟啉。當向溶解了一些二氧化碳并安裝有兩個電極的電解液中添加卟啉后,這種溫室氣體被分解為一氧化碳和氧氣。但這一過程只有在卟啉被溶解于一種有環境問題的有機溶劑中才會發生。并且還有另一個問題:卟啉往往會隨著時間的推移而凝結成塊,從而破壞它們的電子運送能力。

為了解決這一問題,由加利福尼亞大學伯克利分?;瘜W家Omar Yaghi和Chris Chang率領的研究人員找到了一種解決方法,能夠將卟啉與名為共價有機框架(COF)的一種多孔固體材料結合在一起。

Yaghi與他的團隊開發出了各種各樣的COF,作為過濾器分離不同的氣體。但為了向著制造可再生能源邁出第一步,研究人員想要看看他們的鈷COF能否分離二氧化碳。卟啉似乎是一個自然的選擇,因為它不僅擅長向二氧化碳運送電子,而且也可以導電。

從理論上講,卟啉COF的多孔性使得二氧化碳能夠穿透并與卟啉中心的鈷原子進行催化反應。

在合成了新的COF后,Yaghi、Chang和他們的同事將一層電極放在這種多孔材料的頂端。由于他們的催化劑已經接觸到電極,因此就不再需要分子卟啉催化劑所需的有機溶劑,轉而用一種簡單的水基電解液代替。當研究人員接通電流后,他們發現卟啉COF不但能夠將二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣,而且比分子版本做得更好。

研究人員隨后又向卟啉COF中加入了一些銅,從而增加了二氧化碳分子與鈷原子實際接觸以及被分解的可能性。

伯克利研究團隊日前在《科學》雜志網絡版上報告說,這種雙金屬的COF分離二氧化碳分子的能力是自由移動的鈷卟啉分子的60倍。COF同時被證明是高效的——能夠利用90%的電子將二氧化碳分子分解為一氧化碳。而且這種催化劑極具活性,每小時能夠分解約24萬個二氧化碳分子,是只有鈷的COF的25倍。所有這些使得這種新材料成為迄今為止最棒的二氧化碳分離催化劑。

伊利諾伊大學香檳分?;瘜W家Paul Kenis表示:“這真是一項非常出色的工作?!彼麖娬{有許多研究團隊都在嘗試利用多孔電極材料改進他們的二氧化碳—氧化碳轉化策略。

Kenis和Yaghi表示,最終,這些分解出的一氧化碳可以同氫相結合,從而生成來自可再生能源(例如風能和太陽能)的碳氫燃料。這種做法如今在經濟上還不可行,因為精煉石油成本更低。但如果一個國家只想利用可再生能源制造燃料,而不想向空氣中排放因燃燒化石燃料產生的二氧化碳,那么這樣的新材料將會派上用場。

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