溫室氣體變為燃料 ,全球變 「冷」 指日可待
眾所周知，世界範圍內溫室效應日趨嚴重，而二氧化碳（CO2）是重要的溫室氣體，控制二氧化碳減排變得至關重要。科學家們探索著把二氧化碳變成有價值的資源，以二氧化碳為原料來製造燃料或其他化學品將產生巨大的經濟和環境效益。過去，科學家對反應機理的關鍵步驟沒有清楚的認識，所以我們面臨的最大挑戰是如何更高效地把CO2轉變成清潔燃料。
二氧化碳是重要的溫室氣體（來源：Google）
怎樣才能設計出只生成所需的甲烷或一氧化碳的有效反應流程呢？太平洋西北國家實驗室（美國）的科學家Janos Szanyi博士確認了，甲酸鹽是CO2轉化過程中的關鍵中間體。甲酸根離子和一氧化碳中間體轉化率的平衡決定了化學產物的種類。
Janos Szanyi博士說：「這項研究為我們提供了重要的信息，將易得原料二氧化碳，轉化為有用的化學中間體——一氧化碳或能量載體甲烷。該中間體可用於生產高級碳氫化合物或燃料。」
多年來，甲酸鹽一直被認為是「旁觀者」，一個對該化學反應沒有貢獻的分子。 現在，科學家已經表明，甲酸鹽確實是至關重要的。理解了反應步驟以及甲酸鹽的作用後，科學家們設計出一種選擇性催化劑，從而獲得所需的化學品。理解反應步驟也使科學家掌握了控制該反應的重要條件。此外，這項工作結束了關於甲酸鹽在催化劑表面作用的長期爭論。
在這項研究中，太平洋西北國家實驗室（美國）的一個團隊，確定了控制催化劑對二氧化碳氫化成一氧化碳或甲烷的選擇性的因素。 使用傅氏轉換紅外線光譜/穩態同位素瞬變動力學這種新穎的分析方法，深入研究化學反應過程和機制。
他們確定了催化劑表面的關鍵中間體（甲酸鹽和一氧化碳）的行為。對於一氧化碳的形成，決速步驟是在鈀金屬催化劑和氧化鋁載體界面處的甲酸鹽的轉化或還原。對於甲烷的形成，決速步驟是羰基加氫。甲酸鹽的還原速率和一氧化碳甲烷化速率決定了催化劑的選擇性。也就是說，選擇性取決於表面的中間產物的吸氫反應速度。同時，溫度也影響著甲酸鹽的覆蓋率，進而影響了生成物，當溫度越低時越容易生成CO，溫度越高時越容易生成CH4。
溫度對甲酸鹽覆蓋率的影響（來源：Nature Communications）
確定了反應的關鍵步驟後，該團隊設計了三種具有不同鈀負載量的催化劑Pd / Al2O3。Pd / Al2O3催化CO2甲烷化和逆水煤氣交換反應，分別生成CH4和CO。
Pd / Al2O3催化CO2甲烷化和逆水煤氣交換反應（來源：Nature Communications）
研究者發現，負載的鈀含量是決定產物的重要因素。具有鈀含量最少的催化劑對一氧化碳具有更高的選擇性。相比之下，負載鈀含量最高的催化劑，形成甲烷的選擇性高於80％。據悉，該團隊現在正在對催化劑進行改性並改變其活性位點，以調整其選擇性，旨在減少非必要產品的產量。所以這標誌著對於二氧化碳轉化研究過程又提升了一步。
催化劑負載鈀含量對產物選擇性的影響（來源：Nature Communications）
將二氧化碳轉化為燃料或成減少溫室氣體重要途徑，可以看到很多的科學家正在努力通過化學技術手段減少大氣中的溫室氣體。我們相信隨著科學技術的不斷進步，全球溫室氣體排放量必將日趨減少，讓我們拭目以待吧!
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-00558-9
參考文獻：
- 1. Nature Communications
- 2. phys.org
本文關鍵詞： Nature Communications 、 greenhouse gas 、 fuel 、 Pd / Al2O3
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