CO₂实现高效转化，看看大佬们都在用什么仪器？

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分享： 2021/04/30 17:53:29

导读：二氧化碳的高效转化利用对实现“碳中和”目标具有重要的战略意义，而这过程中的催化剂研究尤为重要，科研工作者们利用诸多分析仪器进行研究。

近日，多家媒体报道了“大连化物所实现低温、高效、长寿命二氧化碳催化加氢制甲醇”的相关新闻，实际上，早在今年3月22日，该研究成果就已发表在Nature Catalysis上，杂志同期还以“Catalysis by Unusual Vacancies”为题刊发表了评述文章。该成果是由中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员邓德会团队与厦门大学教授王野团队共同合作完成的，首次利用富含硫空位的少层二硫化钼（MoS₂）催化剂，实现了低温、高效、长寿命催化CO₂加氢制甲醇，其活性与选择性均显著优于商品Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂，并显示出优异的稳定性。该催化剂为实现低能耗、高效率的CO₂转化利用提供了新思路。

二氧化碳的高效转化利用对实现“碳中和”目标具有重要的战略意义，科研人员对于二氧化碳的研究也从未停止过。CO₂的转化和利用不仅可以改善温室效应，储存能量，缓解日益严重的能源危机，还可以转化成燃料以及其他高附加值化学品。去年，英国牛津大学研究人员皮特·爱德华及他的同事们设计了一种新型铁基催化剂，可直接捕获大气中的二氧化碳并将其转化为烃类喷气燃料。这种催化剂由地球上丰富的元素组成，制备简单且表现出高活性和高选择性，能最大程度减少高附加值化学品的合成步骤。研究团队在转化过程中还收集到了石油化工行业的其他重要原材料，这些原材料目前只能从原油中获得。

新催化剂体系的开发对于CO₂催化转化有着重要的推动作用。CO₂为非极性线性分子，碳处于最高价态，化学性质稳定。因此，将CO₂转化存在较大难度。人工转化CO₂主要由热能、电能、太阳能驱动，目前比较成熟的技术有光催化转化、太阳能光热转化、光电协同转化和生物技术转化技术。提高二氧化碳转化效率和反应选择性方面进行的催化剂改良、生物转化途径改进都需要科研人员的不懈努力。

光催化转化是以光能为驱动力的氧化还原过程，CO₂吸附在光催化材料的反应位点上并与光生电子进行化学反应，从而被还原为小分子碳氢燃料和一氧化碳。下图有目前研发的光催化剂，光催化剂是光催化还原CO₂的关键。

图1 光催化剂分类

太阳能光热转化CO₂主要有两种途径：一是利用太阳能聚热体系产生大量热量来直接转化CO₂或两步热化学循环分解转化CO₂，其实质都是热化学转化；二是在热化学两步循环法转化的基础上，引入光化学反应。

光电协同转化是将光催化和电催化相结合形成了光电协同转化。

图2 光电协同转化CO₂反应过程示意图

CO₂的生物技术转化会产生更复杂、更有价值的化合物。CO₂生物技术转化的特点是活性生物特征和物理化学催化位点的结合。到目前为止，CO₂生物技术转化的关键技术主要包括微生物电合成、光合生物混合系统、光系统II复合系统和代谢工程。

图3 CO₂生物技术转化示意图

通过不同方式转化CO₂并生产绿色能源来实现绿色环境的建设，推动了能源收集技术的发展。

小编还找到了两篇比较新的催化剂研究成果，一篇是武汉理工大学关于CO₂光催化转化为CH₄的研究成果发布在《Science China-Materials》杂志上，研究者们制备的光催化剂，在可见光照射下进行了高效的光催化CO₂还原，另一篇是浙江大学将CO₂转化为高附加值产品，发布在《Chinese Journal of Catalysis》杂志。

这些转化剂的研究少不了科学仪器的助力，这里介绍几个文章中提到的分析仪器：