文 ｜ 《中國科學報》記者李思輝? 通訊員 高翔 廖鑫
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“二氧化碳不是壞東西，而是一種碳源，它不僅可以做樂高玩具，還可以制衣服、制香水！”在華中科技大學光電信息學院教授龐元杰眼里，很多人認為是個“問題”的二氧化碳簡直是塊“寶”。
《中國科學報》記者從華中科技大學獲悉，該校龐元杰教授團隊歷時四年，以二氧化碳為原料高效制備醋酸，揭開了“零碳”制造夢想的一角，研究成果多項指標大幅打破世界紀錄，相關成果5月3日刊發(fā)于《自然》雜志。
但他們的論文投稿也曾經歷一波三折，被《科學》拒稿，轉投《自然》，又在審稿專家要求下，將實驗從15個小時跑到“瘋狂”的820小時……
華中科技大學龐元杰教授正在配制催化劑漿料。班倩/攝
為什么“盯上”二氧化碳？龐元杰告訴《中國科學報》，工業(yè)革命以后，如何應對以二氧化碳為代表的溫室氣體排放是人類面臨的一個棘手問題。以往一些研究者也開展過針對二氧化碳的利用，但大多是單向利用，比如汽水飲料中的二氧化碳，人喝下去后，打個嗝又釋放出來，大多未能達到零排放和循環(huán)利用的目標。 能否以更先進技術電解二氧化碳，獲得人類需要的生產生活資源，從而變廢為寶、循環(huán)利用，真正實現(xiàn)“零碳”？懷著這個夢想，2018年回國后，龐元杰在過往研究的基礎上，準備創(chuàng)新方法手段開展“零碳”制造技術研究。2019年，博士后金健加入該團隊后，這項研究正式啟動。 該團隊以“零碳”制造為目標，從醋酸開始著手，使用清潔可再生電能不僅讓生產醋酸的過程中不產生二氧化碳，還能夠消耗二氧化碳制備醋酸。據(jù)介紹，醋酸，又名乙酸，是一種重要的有機化工原料，制造化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等都需要大量使用這一原料。傳統(tǒng)方法生產醋酸通常采用化學合成或淀粉發(fā)酵法，用這些方法，“每生產1千克醋酸會排放約1.6千克二氧化碳”。我國作為全世界第一大醋酸生產國，醋酸年產量超過800萬噸，給生態(tài)環(huán)境治理帶來了很大壓力。 龐元杰教授團隊以醋酸為目標產物，聯(lián)合多倫多大學E.H. Sargent小組、武漢理工大學麥立強小組，通過電催化二氧化碳還原技術，開展醋酸的“零碳”制造。 電催化二氧化碳還原技術是一種頗具潛力的清潔能源存儲手段。但是在電解過程中，如何高選擇性、高速地生產單一高附加值產物卻是團隊困擾已久的問題。電解水只可以獲得氧氣和氫氣，電解二氧化碳卻可以獲得20余種產物。 “這項研究的一個難題就是在電解二氧化碳得到的20余種產物中，精準得到我們想要的東西。”龐元杰介紹，為了穩(wěn)定醋酸的生成率，研究團隊要解決的首要問題是反應裝置的設計與搭建，其次是催化劑的選擇。 該團隊利用高壓裝置和催化劑上的創(chuàng)新，以電催化二氧化碳還原技術為基礎，采用“兩步法”二氧化碳還原途徑，穩(wěn)定住醋酸反應路徑的關鍵中間基團，最終高產率合成了醋酸。 龐元杰教授團隊現(xiàn)場操作高壓強反應裝置。班倩/攝
為了穩(wěn)定醋酸反應路徑的關鍵中間基團，實現(xiàn)零碳制備目標，該團隊自主發(fā)明了一套高壓三相界面裝置，并在此基礎上開展了一系列艱苦研究。 “一開始就遇到很多困難?！眻F隊成員金健告訴記者，因為這項技術的前期研究在國外，歸國后龐元杰教授帶領團隊自主研發(fā)實驗設備，把設備從常壓版本升級為高壓版本后，一直重復不了當時的數(shù)據(jù)。大家到處找原因，最后連“實驗樓地線沒有完全接地”之類的問題都摸排出來了。此外，選擇合適的催化劑也是一個艱難的過程。 解決了上述所有問題，他們終于得到了“限制二碳吸附基團構象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”這一重要研究成果。其主要原理是使用二氧化碳和水為原料，生成乙酸這一種主要產物。 實驗成功，團隊成員都很興奮，他們投稿給《科學》，卻很快被拒稿了。2021年轉投給《自然》雜志，審稿專家一針見血地提出問題：“實驗穩(wěn)定性不夠?！北藭r，他們的試驗穩(wěn)定時間僅為15個小時。 調整設備、優(yōu)化催化劑選擇、更加精細地進行實驗，經過一系列努力，他們終于將穩(wěn)定性提升至50小時，再次興沖沖地投稿過去。然而，戲劇性的事又發(fā)生了?！蹲匀弧穼徃鍖＜一匦耪J為，50小時還不夠，因為相關領域科學家已經發(fā)表文章，能夠連續(xù)500小時保持乙酸生成率50%以上了。 實驗數(shù)據(jù)上的競爭對應著激烈的國際競爭。繼續(xù)調整設備、優(yōu)化催化劑選擇、更加精細地進行實驗，終于，該團隊“限制二碳吸附基團構象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”實驗連續(xù)穩(wěn)定性突破了200小時。“不要停！”龐元杰叮囑科研人員“一定要讓設備繼續(xù)跑下去！” 300小時、400小時、突破了500小時！“繼續(xù)！”刷新500小時的世界紀錄后，團隊成員更加視實驗設備為珍寶。為了避免被人為中斷，年輕的博士們在實驗室門上注明：“正在進行重要實驗，懇請暫緩其他實驗?！睘榱朔乐勾髽潜０?、保潔等人員誤入，他們又小心地貼上告示：“正在進行重要實驗，有事電話聯(lián)系，15分鐘內必到！” 終于，經歷了一段時間的緊張運行后，該實驗在“820小時”這一節(jié)點停了下來。龐元杰告訴記者：“停下來的原因不是實驗本身的問題，而是一個柱塞泵濾網堵了，可能柱塞泵的制造廠商也沒考慮到，居然需要讓泵連續(xù)、高壓運轉那么久?！?在選擇性、能量轉化效率、穩(wěn)定性上大幅刷新世界記錄后，龐元杰團隊終于在2023年春節(jié)前收到了《自然》的錄用通知。 “我記得很清楚，接到《自然》錄用通知那天是臘月二十三，歷經四年的煎熬，大家在春節(jié)前終于熬出來了！”龐元杰說，同行認可讓他覺得自己多年的堅持是對的，沒有辜負團隊成員的信任。 執(zhí)著于這項復雜研究的博士后金健，此前因為一直沒有顯著成果問世，已經連續(xù)兩次延期出站，“即便耐得住寂寞，卻也掩蓋不住焦慮”。四年、上千個日夜的艱苦研究，終于有所回報。 “不僅是醋酸這類羧酸類化學品，烴類、醇類等重要化學品也有望實現(xiàn)‘零碳’制造。”談及未來，龐元杰表示該團隊將利用上述技術，讓二氧化碳在醫(yī)藥、燃料、化工原料的生產過程中得到更廣泛的應用。 他舉例說，比如將太陽能發(fā)電板發(fā)出的電能轉換為便于儲存的燃料化學能，再將燃料化學能有序釋放，實時滿足生活和生產的各種用能需求。再比如，選用合適的催化劑進行乙醇（酒精）的生產，從而擺脫對以農作物為原料生產乙醇的依賴，減少對土地和糧食的資源消耗，使乙醇能夠更大范圍地應用于清潔能源。 相關論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05918-8
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