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CO2竟然也能與能源扯上關系

文章來源：未知更新時間：2018-03-06 09:49:22

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目前人們正在探索如何更好地將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化學物質(zhì)，科學家們研究表明，單一的鎳原子可作為一種高效、低成本的催化劑來使用。

圖片來源：布魯克海文國家實驗室

上圖為布魯克海文的科學家們在NSLS-II beamline 8-ID中拍攝的照片，他們使用超高亮度的X射線來“觀察”新催化材料的化學復雜性。圖中從左到右分別是Klaus Attenkofer，Dong Su，Sooyeon Hwang和Eli Stavitski。

想象一下，如果CO2可以很容易地轉(zhuǎn)換成可用能源的話。那么當我們每次呼吸或駕駛汽車時，我們所排放的氣體將是一種產(chǎn)生燃料的關鍵成分，而不是被大眾稱之為廢氣。類似于植物中的光合作用一樣，科學家一直致力于將CO2轉(zhuǎn)化為對日常生活至關重要的分子?，F(xiàn)在，對于將CO2轉(zhuǎn)換成可用能源的技術，科學家們又向前邁進了一步。

據(jù)悉，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的研究人員作為這項科學合作研究的一部分，他們開發(fā)出了一種新型電催化劑，可將CO2有效轉(zhuǎn)化為高能量分子——CO。他們的這一科研成果于2月1日發(fā)表在了《Energy & Environmental Science》雜志上。

“使用CO的方法有很多，” 布魯克海文國家實驗室的科學家兼論文作者Eli Stavitski說。“例如我們可以將CO和水反應生產(chǎn)高能量的氫氣，也可以用氫氣與CO生產(chǎn)出有用的化學物質(zhì)，如碳氫化合物或醇類。如果有一種可持續(xù)，且經(jīng)濟實用的途徑將CO2轉(zhuǎn)化為CO，它將會大大的造福整個社會。”

科學家們一直在尋求一種將CO2轉(zhuǎn)化為CO的方法，但傳統(tǒng)的電催化劑并不能有效地引發(fā)反應。這是因為在化學反應過程中，氫氣析出反應（HER）亦或名為“水分解”的競爭反應優(yōu)先于CO2轉(zhuǎn)化為CO的反應。

一些貴金屬，如金和鉑，可避免氫氣析出反應（HER）的發(fā)生并將CO 2轉(zhuǎn)化為CO；然而，這些金屬相對較少且成本太高，從成本方面考慮，其并不是很適合做常用的催化劑。因此，科學家們正在尋求一種經(jīng)濟實用的方式科學的將CO2轉(zhuǎn)化為CO，為此他們開發(fā)出了一種全新的催化劑。他們使用單個鎳原子來代替貴金屬納米粒子作為催化劑。

哈佛大學Rowland研究所的研究員兼論文的相關作者Haotian Wang在論文中表示：“金屬鎳能夠成為一種前景光明的催化劑，其中一個原因是它能很好地抑制氫氣析出反應（HER），并顯著降低CO2的選擇性；另一個原因是因為如果有CO分子產(chǎn)生，鎳表面就很容易被CO所污染。”

然而，單原子的鎳卻產(chǎn)生了不同的催化效果。

布魯克海文科學家，也是該論文的共同作者之一Klaus Attenkofer補充說：“在金屬表面具有一種能量潛能，它是均勻的；而在單個原子上，表面上的每處的能量卻是不同的。”

除了單原子獨特的能量特性之外，CO2的轉(zhuǎn)化反應還有鎳原子與周圍石墨烯片的相互促進作用。將原子固定在石墨烯片上，使科學家能夠調(diào)整催化劑并抑制氫氣析出反應的進行（HER）。

為了更仔細地研究原子級薄層石墨烯片層中的各個鎳原子，科學家們在美國能源部科學用戶設施辦公室的Brookhaven功能納米材料中心（CFN）使用掃描透射電子顯微鏡（STEM）。通過電子探針在樣品上掃描，科學家們能夠在石墨烯上觀察到離散的鎳原子。

“我們先進的透射電子顯微鏡是一種獨特的工具，可以看到物質(zhì)極其微小的特征，例如單原子。”CFN的科學家兼該論文的共同作者Sooyeon Hwang說。

Dong Su，CFN的科學家和論文的共同作者說：“單原子通常是不穩(wěn)定的，并傾向于聚集在支撐物上。但是，我們研究發(fā)現(xiàn)作為催化劑的各個鎳原子是均勻分布的，這就解釋了轉(zhuǎn)換反應為何具有如此的優(yōu)異性能。”

為了分析材料的化學復雜性，科學家們在國家同步輻射光源II（NSLS-II）上使用了束線8-ID，這也是美國能源部在布魯克海文實驗室的科學用戶設施辦公室。NSLS-II上的超高亮度X射線光使科學家們能夠“看到”材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細視圖。

“光子或光的粒子與鎳原子中的電子相互作用，主要做兩件事，” Stavitski說。“他們把電子發(fā)送到更高的能量狀態(tài)，通過映射這些能量狀態(tài)，我們可以了解材料的電子結(jié)構(gòu)和化學狀態(tài)。當我們增加光子的能量時，它們將電子從原子中踢出去，并與相鄰的元素相互作用。實質(zhì)上，這為科學家們提供了鎳原子局部結(jié)構(gòu)的圖像。

根據(jù)哈佛大學，NSLS-II，CFN和其他研究機構(gòu)的研究結(jié)果，科學家發(fā)現(xiàn)單個鎳原子催化CO2轉(zhuǎn)化反應的效率最高可達97％?？茖W家們表示，這是向可再生能源和化學品回收CO2邁出的重要一步。

“為了將這種技術應用到未來的實際應用中，我們目前的目標是以便宜和大規(guī)模的方式來生產(chǎn)這種單鎳原子催化劑，同時改善其性能并保持其效率。” Wang說。

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