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 内容概要：
      目前人们正在探索如何更好地将CO2转化为有用的化学物质，科学家们研究表明，单一的镍原子可作为一种高效、低成本的催化剂来使用。

图片来源：布鲁克海文国家实验室

上图为布鲁克海文的科学家们在NSLS-II beamline 8-ID中拍摄的照片，他们使用超高亮度的X射线来“观察”新催化材料的化学复杂性。图中从左到右分别是Klaus Attenkofer，Dong Su，Sooyeon Hwang和Eli Stavitski。

      想象一下，如果CO2可以很容易地转换成可用能源的话。那么当我们每次呼吸或驾驶汽车时，我们所排放的气体将是一种产生燃料的关键成分，而不是被大众称之为废气。类似于植物中的光合作用一样，科学家一直致力于将CO2转化为对日常生活至关重要的分子。现在，对于将CO2转换成可用能源的技术，科学家们又向前迈进了一步。

    据悉， 美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的研究人员作为这项科学合作研究的一部分，他们开发出了一种新型电催化剂，可将CO2有效转化为高能量分子——CO。他们的这一科研成果于2月1日发表在了《Energy & Environmental Science》杂志上。

      “使用CO的方法有很多，” 布鲁克海文国家实验室的科学家兼论文作者Eli Stavitski说。“例如我们可以将CO和水反应生产高能量的氢气，也可以用氢气与CO生产出有用的化学物质，如碳氢化合物或醇类。如果有一种可持续，且经济实用的途径将CO2转化为CO，它将会大大的造福整个社会。”

      科学家们一直在寻求一种将CO2转化为CO的方法，但传统的电催化剂并不能有效地引发反应。这是因为在化学反应过程中，氢气析出反应（HER）亦或名为“水分解”的竞争反应优先于CO2转化为CO的反应。

      一些贵金属，如金和铂，可避免氢气析出反应（HER）的发生并将CO 2转化为CO；然而，这些金属相对较少且成本太高，从成本方面考虑，其并不是很适合做常用的催化剂。因此，科学家们正在寻求一种经济实用的方式科学的将CO2转化为CO，为此他们开发出了一种全新的催化剂。他们使用单个镍原子来代替贵金属纳米粒子作为催化剂。

      哈佛大学Rowland研究所的研究员兼论文的相关作者Haotian Wang在论文中表示：“金属镍能够成为一种前景光明的催化剂，其中一个原因是它能很好地抑制氢气析出反应（HER），并显著降低CO2的选择性；另一个原因是因为如果有CO分子产生，镍表面就很容易被CO所污染。”

      然而，单原子的镍却产生了不同的催化效果。

      布鲁克海文科学家，也是该论文的共同作者之一Klaus Attenkofer补充说：“在金属表面具有一种能量潜能，它是均匀的；而在单个原子上，表面上的每处的能量却是不同的。”

      除了单原子独特的能量特性之外，CO2的转化反应还有镍原子与周围石墨烯片的相互促进作用。将原子固定在石墨烯片上，使科学家能够调整催化剂并抑制氢气析出反应的进行（HER）。

      为了更仔细地研究原子级薄层石墨烯片层中的各个镍原子，科学家们在美国能源部科学用户设施办公室的Brookhaven功能纳米材料中心（CFN）使用扫描透射电子显微镜（STEM）。通过电子探针在样品上扫描，科学家们能够在石墨烯上观察到离散的镍原子。

      “我们先进的透射电子显微镜是一种独特的工具，可以看到物质极其微小的特征，例如单原子。”CFN的科学家兼该论文的共同作者Sooyeon Hwang说。

      Dong Su，CFN的科学家和论文的共同作者说：“单原子通常是不稳定的，并倾向于聚集在支撑物上。但是，我们研究发现作为催化剂的各个镍原子是均匀分布的，这就解释了转换反应为何具有如此的优异性能。”

      为了分析材料的化学复杂性，科学家们在国家同步辐射光源II（NSLS-II）上使用了束线8-ID，这也是美国能源部在布鲁克海文实验室的科学用户设施办公室。NSLS-II上的超高亮度X射线光使科学家们能够“看到”材料内部结构的详细视图。

      “光子或光的粒子与镍原子中的电子相互作用，主要做两件事，” Stavitski说。“他们把电子发送到更高的能量状态，通过映射这些能量状态，我们可以了解材料的电子结构和化学状态。当我们增加光子的能量时，它们将电子从原子中踢出去，并与相邻的元素相互作用。实质上，这为科学家们提供了镍原子局部结构的图像。

       根据哈佛大学，NSLS-II，CFN和其他研究机构的研究结果，科学家发现单个镍原子催化CO2转化反应的效率最高可达97％。科学家们表示，这是向可再生能源和化学品回收CO2迈出的重要一步。

      “为了将这种技术应用到未来的实际应用中，我们目前的目标是以便宜和大规模的方式来生产这种单镍原子催化剂，同时改善其性能并保持其效率。” Wang说。