单一催化剂如何以两种方式开始将二氧化碳转化为燃料

几乎所有的化学品和燃料生产都依赖于催化剂，催化剂可以加速化学反应而不会在过程中被消耗。大多数这些反应发生在巨大的反应器容器中，可能需要高温和高压。

科学家们一直在研究用电而不是热来驱动这些反应的替代方法。这可能允许由可再生电力驱动的廉价、高效、分布式制造。

但是专注于这两种方法(热与电)的研究人员倾向于独立工作，开发适合其特定反应环境的不同类型的催化剂。

一项新的研究旨在改变这种状况。斯坦福大学和能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家今天报告说，他们已经制造出一种新的催化剂，既可以加热也可以用电。该催化剂以镍原子为基础，加速将二氧化碳转化为一氧化碳的反应——这是从 CO 2制造燃料和有用化学品的第一步。

SLAC 和斯坦福大学教授、SUNCAT 界面科学与催化研究所所长 Thomas Jaramillo 说，这些结果代表了统一理解在这两种截然不同的条件下对催化反应的理解的重要一步。发生。

“这在我们的领域是罕见的，”他说。“事实上，我们可以将它整合到一个框架中以研究相同的材料，这使这项工作与众不同，它开辟了一条以更广泛的方式研究催化剂的全新途径。”

研究小组说，结果还解释了新催化剂如何在电化学反应器中使用时更快地驱动这一关键反应。他们的报告本周发表在Angewandte Chemie的印刷版上。

迈向可持续的化学未来

寻找将 CO 2转化为化学品、燃料和其他产品(从甲醇到塑料和合成天然气)的方法是 SUNCAT 研究的重点。如果大规模使用可再生能源，它可以为回收温室气体创造市场激励。这将需要新一代的催化剂和工艺，以在工业规模上廉价有效地进行这些转化——而实现这些发现将需要新的想法。

为了寻找一些新的方向，SUNCAT组建了一个博士团队。斯坦福大学化学工程系三个研究小组的学生：来自Stacey Bent教授小组的Sindhu Nathan，其研究重点是热驱动催化反应，以及由Jaramillo和Zhenan Bao教授共同指导并一直专注于研究的David Koshy关于电化学反应。

Nathan 的工作旨在从基本的原子水平上理解热驱动的催化反应。

“热驱动反应是现在工业中常用的方法，”她说。“对于某些反应，热驱动过程的实施将具有挑战性，因为它可能需要非常高的温度和压力才能进行所需的反应。”

Koshy 说，用电力驱动反应可以使一些转换更有效率，“因为你不必加热，而且你还可以使反应堆和其他组件更小、更便宜、更模块化——而且这是一个很好的利用方式可再生资源。”

研究这两种类型反应的科学家并行工作，很少互动，因此他们没有很多机会相互了解可能有助于他们设计更有效催化剂的见解。

但如果这两个阵营可以在同一种催化剂上发挥作用，它将为统一他们对两种环境中反应机制的理解奠定基础，Jaramillo 说。“我们有理论上的理由认为相同的催化剂在两组反应条件下都能起作用，”他说，“但这个想法还没有经过测试。”

催化剂发现的新途径

在他们的实验中，该团队选择了 Koshy 最近合成的一种名为 NiPACN 的催化剂。催化剂的活性部分——它抓住通过的分子，让它们反应并释放产物的地方——由与散布在整个碳材料中的氮原子结合的单个镍原子组成。Koshy 的研究已经确定 NiPACN 可以高效地驱动某些电化学反应。它可以在热条件下做同样的事情吗?

为了回答这个问题，该团队将粉状催化剂带到了 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL)。他们与杰出的科学家西蒙·巴尔合作开发了一个微型反应器，催化剂可以在高温高压下加速氢气和二氧化碳之间的反应。该设置允许他们通过窗口将 X 射线照射到反应中并观察反应进行。

特别是，他们想看看反应器内的恶劣条件是否会改变催化剂，因为它促进了氢气和 CO 2之间的反应。

“人们可能会说，你怎么知道原子结构没有改变，这使得它与我们之前在电化学反应中测试的催化剂略有不同?” 科希说。“我们必须证明，当反应完成时，镍反应中心看起来仍然相同。”

这正是他们在用 X 射线和透射电子显微镜检查反应前后的原子细节时发现的。

研究小组写道，展望未来，像这样的研究对于统一跨反应环境的催化现象研究至关重要，这最终将促进发现用于改变燃料和化学工业的新催化剂的努力。

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