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美因茨约翰内斯古腾堡大学（Johannes Gutenberg University，JGU）的研究人员公布了一种将二氧化碳（CO2）转化为乙醇的开创性方法，为化学应用和能源储存提供了一种可持续的替代方案。这项技术由JGUs化学系的Carsten Streb教授领导，提供了一种将二氧化碳排放作为闭环碳循环的一部分重新利用的途径，具有在工业上更广泛应用的潜力。
“我们可以从环境中去除温室气体二氧化碳，并将其重新引入可持续的碳循环，”Streb说。他的研究重点是通过电催化将二氧化碳转化为乙醇。当与绿色能源相结合时，这一过程可以减少对粮食作物的依赖，如玉米，传统上用于生产燃料乙醇。Streb补充说，虽然该工艺目前在实验室规模上运行，但它有望大规模应用。这项研究的结果发表在ACS催化杂志上。
钴铜催化剂在CO2转化中具有高选择性
二氧化碳的电化学转化为多碳化合物，如乙醇，是捕获二氧化碳和生产有价值的工业材料的有效方法。然而，成功与否取决于使用的催化剂能否达到高选择性，从而保证乙醇的高产量。Streb解释说：“为了实现这一目标，我们需要合适的催化剂，能够高选择性地进行这种转化，这样我们就能获得高产量的期望产物，在我们的情况下，就是乙醇。”
研究小组设计了一种专门的电极，上面仔细地涂上了一层黑色的钴铜粉末，数量和位置都很精确。这种串联装置允许钴最初分解二氧化碳中的强键，产生一氧化碳。然后铜成分催化从一氧化碳到乙醇的转化，这一过程只有当两种金属都正确地放置在电极上时才能成功。Streb说，最初的挑战是让二氧化碳发生反应。分子原子之间的键非常牢固，但钴可以破坏它们。
提高效率，扩大应用
目前，该方法将二氧化碳转化为乙醇的选择性达到80%，是迄今为止报道的最高选择性。Soressa Abera Chala博士是这项研究的主要作者，作为JGU的洪堡研究员，他在这项优化中发挥了重要作用。合著者刘荣基（音译）博士和Ekemena Oseghe博士也作为洪堡研究员为这项研究做出了贡献。目前正在努力将这种选择性提高到90%到95%之间，目标是最终达到100%，届时只生产乙醇作为最终产品。
灯光下的协同努力
作为合作研究中心/跨区域CataLight（CRC/TRR 234）的一部分，与乌尔姆大学的合作对这项研究至关重要。通过先进的电子显微镜，研究小组可以观察催化剂上单个原子的位置，使他们能够改进电极的组成。
对钴和铜的关注源于它们的丰富和可负担性，这使得该工艺无需昂贵的贵金属（如铂）即可实现。我们需要看到单个原子，这可以用一种特殊的电子显微镜来实现，Streb说。这项研究的目的是创造一种稳定的催化剂，可以长时间保持效率。
一条通向乙醇生产的可持续道路
这种技术为从二氧化碳和绿色电力中生产乙醇提供了一个机会，可以减轻对用于生物燃料生产的粮食资源的需求。Streb强调，通过使用全球可用的原材料作为催化剂，我们正在遵循当前研究中越来越关注非贵金属的方法。这项技术可以提供可持续的乙醇，减少对目前用于乙醇生产的甘蔗和玉米等农作物的依赖，特别是在巴西等地区。这一发展为生产乙醇提供了一种可扩展的解决方案，这种乙醇可以储存并用于按需发电。
SusInnoScience研究背景
Streb教授于2022年加入JGU，参与了几个由德国科学和教育基金会支持的可持续催化合作研究项目。他的工作是JGU顶级研究领域SusInnoScience的一部分，该领域旨在促进可持续的化学创新，以实现资源节约型科学。JGU顶级研究领域SusInnoScience-可持续化学作为人类世资源节约型科学创新的关键CRC/Transregio 234：光驱动分子催化剂在分层结构材料中的合成和机理研究（CataLight），由德国研究基金会（DFG）资助。
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