二氧化碳+水=乙醇？！

材料牛注：俗話說，巧婦難為無米之炊。然而，在沒有玉米或其他作物的條件下，Stanford大學的科學家們最近發現了一種更為可持續的方法來制作乙醇。這種極具應用前景的技術有三個基本組成部分：水，二氧化碳和通過銅催化劑輸送的電力，該項研究的結果已發表在國家科學院院刊（PNAS）上。

【圖注】斯坦福大學的科學家們設計了一種利用二氧化碳和水生產乙醇的銅催化劑。

美國的大部分汽車和卡車都是以90％汽油和10％乙醇為主要原料，而乙醇則是一種主要由發酵玉米制成的可再生燃料。但是，由美國司機每年生產140億加侖的乙醇需要數百萬英畝的農田。Stanford大學化學工程兼SLAC國家光子科學加速器實驗室的副教授，此項研究首席研究員Thomas Jaramillo表示：“我們的終極目標之一是以不影響全球糧食供應的方式生產可再生乙醇。”

科學家們想要設計此類銅催化劑，選擇將二氧化碳轉化為更高價值的化學品和燃料，如乙醇和丙醇，并且該過程中幾乎沒有或完全沒有副產物。但根據最近的研究進展看來，他們需要清楚地了解這些催化劑的實際工作原理。

銅晶體

對于此項PNAS研究，Stanford大學研究團隊選擇了三種結晶銅樣品，稱為銅（100），銅（111）和銅（751），科學家使用這些數字來描述單晶的表面幾何形狀。“銅（100），銅（111）和銅（751）在宏觀上看起來幾乎是完全相同的，但在表面上的原子排列方式有很大的差異，”SLAC的科學家Christopher Hahn說道，“我們工作的本質是了解銅的這些不同方面如何影響材料的電催化性能。”

在以前的研究中，科學家們已經制造了尺寸僅為1平方毫米的單晶銅電極。“在尺度這么小的晶體上，很難確定和量化表面上產生的分子，”Hahn解釋道， “便難以進一步了解其進行的化學反應，所以我們的目標是制造具有較大單晶表面質量的銅電極。”

為了創造更大的樣品，Hahn和SLAC的研究員開發了一種新穎的方法，即是在硅晶片和藍寶石的大晶圓之上生長單晶狀銅。“Chris做得太棒了，” Jaramillo說道， “他用六平方厘米的銅片表面制作了銅（100），銅（111）和銅（751），這些銅單晶比典型的單晶大600倍。”

催化性能

為了比較材料的電催化性能，研究人員將三個大電極置于水中，并將其暴露于二氧化碳氣體中使其產生電流。結果表明，當施加特定電壓時，由銅（751）制成的電極比由銅（100）或銅（111）制成的電極，在所得的液體產物上（例如乙醇和丙醇）具有更大的選擇性，這可能是由于在這三個表面上銅原子不同的排列方式所造成。

“在銅（100）和（111）中，表面原子都緊密地堆疊在一起，如方格和蜂窩狀。”Hahn說。 “因此，每個原子都與其周圍的許多其他原子緊密結合，這樣會使表面惰性更強。但是在銅（751）中，表面原子相對距離較遠，較不穩定。”

“一個銅原子（751）只有兩個最近的鄰居，”Hahn說。 “但是，一個不與其他原子結合的原子是很失落的，這使得它越發強烈地想要與進入的反應物結合，如二氧化碳。我們認為這是產生高選擇性高價值產品，諸如乙醇和丙醇的關鍵因素之一。”

Stanford大學的團隊希望能開發一種以工業化規模有選擇地生產碳中和燃料以及化學物質的技術。Jaramillo說：“讓我們引以為傲的成果是通過以二氧化碳作為原料，并將其直接轉化為更有價值的可再生電力或陽光，從而創造出更具競爭力的催化劑。我們計劃在鎳和其他金屬上使用這種方法來進一步了解材料表面的化學性質，雖然這項研究是一個重要的難題，但它將為該領域開辟新的研究途徑。”

該研究還由聯合主編作者Toru Hatsukade，Drew Higgins和Stephanie Nitopi、SLAC的同事Youn-Geun Kim以及加州理工學院 Jack Baricuatro和Manuel Soriaga共同參與。

原文鏈接:Sustainable ethanol from carbon dioxide? -- ScienceDaily?

本文由材料人編輯部LoswimM編輯，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。