一種由廉價、豐富的金屬和普通食糖制成的新催化劑能夠破壞二氧化碳(CO 2)氣體。

在西北大學的一項新研究中，催化劑成功地將二氧化碳轉化為 一氧化碳 (CO)，這是生產各種有用化學品的重要組成部分。例如，當反應在氫氣存在下發生時，二氧化碳和 氫氣會轉化為合成氣，這是一種非常有價值的前體，可用于生產可能替代汽油的燃料。

隨著碳捕獲技術的最新進展，燃燒后碳捕獲正成為幫助應對全球氣候變化危機的可行選擇。但如何處理捕獲的碳仍是一個懸而未決的問題。新催化劑可能提供一種解決方案，通過將其轉化為更有價值的產品來處理這種強大的溫室氣體。

該項研究將于5月3日發表在《科學》雜志上。

“即使我們現在停止排放二氧化碳， 由于過去幾個世紀的工業活動， 我們的大氣中仍會存在過剩的二氧化碳， ”西北大學的米拉德·霍舒伊 (Milad Khoshooei ) 說道，他是這項研究的共同負責人。“這個問題沒有單一的解決方案。我們需要減少二氧化碳排放 ， 并 找到降低大氣中二氧化碳濃度的新方法。 我們應該利用所有可能的解決方案。”

“我們并不是第一個將二氧化碳轉化為其他產品的研究團隊， ”西北大學的 Omar K. Farha說道，他是這項研究的資深作者。“然而，要使這一過程真正實用，它需要一種滿足幾個關鍵標準的催化劑：經濟實惠、穩定、易于生產和可擴展。平衡這四個要素是關鍵。幸運的是，我們的材料在滿足這些要求方面表現出色。”

Farha 是碳捕獲技術專家，現任西北大學 溫伯格藝術與科學學院 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化學教授。Khoshooei 在加拿大卡爾加里大學攻讀博士學位后開始從事這項工作，目前是 Farha 實驗室的博士后研究員。

食品儲藏室的解決方案

新催化劑的秘密在于碳化鉬，一種極其堅硬的陶瓷材料。與許多其他需要昂貴金屬(如鉑或鈀)的催化劑不同，鉬是一種廉價、非貴金屬，且儲量豐富。

為了將鉬轉化為碳化鉬，科學家們需要碳源。他們在一個意想不到的地方發現了一個便宜的選擇：食品儲藏室。令人驚訝的是，糖——幾乎每個家庭都有的白色顆粒狀糖——是一種廉價、方便的碳原子來源。

“我每天都會嘗試合成這些材料，我會把糖從家里帶到實驗室，”Khoshooei 說道。“與通常用作催化劑的其他材料相比，我們的材料非常便宜。”

成功篩選并穩定

在測試催化劑時，Farha、Khoshooei 及其同事對其成功感到印象深刻。在常壓和高溫(300-600 攝氏度)下運行，催化劑以 100% 的選擇性將 CO 2轉化 為 CO。

高選擇性意味著催化劑只作用于二氧化碳，而 不會破壞周圍的物質。換句話說，工業界可以將催化劑應用于大量捕獲的氣體，并選擇性地只針對二氧化碳。催化劑也隨著時間的推移保持穩定，這意味著它保持活性并且不會降解。

“在化學領域，催化劑在幾個小時后失去選擇性是很常見的，”Farha 說道。“但在惡劣條件下運行 500 小時后，其選擇性并沒有改變。”

這是特別值得注意的，因為二氧化碳是 一種穩定而又頑固的分子。

“轉化二氧化碳并不 容易，”Khoshooei 說道。“二氧化碳是 一種化學性質穩定的分子，我們必須克服這種穩定性，而這需要耗費大量能源。”

碳清理的串聯方法

開發碳捕獲材料是 Farha 實驗室的主要工作重點。他的團隊開發了金屬有機骨架 (MOF)，這是一種高度多孔的納米級材料，Farha 將其比作“精密且可編程的沐浴海綿”。Farha 探索了 MOF 的多種應用，包括直接從空氣中吸收二氧化碳。

現在，Farha 表示，MOF 和新催化劑可以共同發揮作用，實現碳捕獲和封存。

Farha 建議：“在某個時候，我們可以采用 MOF 來捕獲二氧化碳，然后用催化劑將其轉化為更有益的物質。串聯系統利用兩種不同的材料進行兩個連續步驟可能是未來的發展方向。”

“這可以幫助我們回答這個問題：‘我們該如何處理捕獲的二氧化碳? ’”Khoshooei 補充道。“目前的計劃是將其封存于地下。但地下儲層必須滿足許多要求才能安全永久地封存二氧化碳。我們希望設計一種更通用的解決方案，可以在任何地方使用，同時增加經濟價值。”