一种由廉价、丰富的金属和普通食糖制成的新催化剂能够破坏二氧化碳(CO 2)气体。

在西北大学的一项新研究中，催化剂成功地将二氧化碳转化为 一氧化碳 (CO)，这是生产各种有用化学品的重要组成部分。例如，当反应在氢气存在下发生时，二氧化碳和 氢气会转化为合成气，这是一种非常有价值的前体，可用于生产可能替代汽油的燃料。

随着碳捕获技术的最新进展，燃烧后碳捕获正成为帮助应对全球气候变化危机的可行选择。但如何处理捕获的碳仍是一个悬而未决的问题。新催化剂可能提供一种解决方案，通过将其转化为更有价值的产品来处理这种强大的温室气体。

该项研究将于5月3日发表在《科学》杂志上。

“即使我们现在停止排放二氧化碳， 由于过去几个世纪的工业活动， 我们的大气中仍会存在过剩的二氧化碳， ”西北大学的米拉德·霍舒伊 (Milad Khoshooei ) 说道，他是这项研究的共同负责人。“这个问题没有单一的解决方案。我们需要减少二氧化碳排放 ， 并 找到降低大气中二氧化碳浓度的新方法。 我们应该利用所有可能的解决方案。”

“我们并不是第一个将二氧化碳转化为其他产品的研究团队， ”西北大学的 Omar K. Farha说道，他是这项研究的资深作者。“然而，要使这一过程真正实用，它需要一种满足几个关键标准的催化剂：经济实惠、稳定、易于生产和可扩展。平衡这四个要素是关键。幸运的是，我们的材料在满足这些要求方面表现出色。”

Farha 是碳捕获技术专家，现任西北大学 温伯格艺术与科学学院 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化学教授。Khoshooei 在加拿大卡尔加里大学攻读博士学位后开始从事这项工作，目前是 Farha 实验室的博士后研究员。

食品储藏室的解决方案

新催化剂的秘密在于碳化钼，一种极其坚硬的陶瓷材料。与许多其他需要昂贵金属(如铂或钯)的催化剂不同，钼是一种廉价、非贵金属，且储量丰富。

为了将钼转化为碳化钼，科学家们需要碳源。他们在一个意想不到的地方发现了一个便宜的选择：食品储藏室。令人惊讶的是，糖——几乎每个家庭都有的白色颗粒状糖——是一种廉价、方便的碳原子来源。

“我每天都会尝试合成这些材料，我会把糖从家里带到实验室，”Khoshooei 说道。“与通常用作催化剂的其他材料相比，我们的材料非常便宜。”

成功筛选并稳定

在测试催化剂时，Farha、Khoshooei 及其同事对其成功感到印象深刻。在常压和高温(300-600 摄氏度)下运行，催化剂以 100% 的选择性将 CO 2转化 为 CO。

高选择性意味着催化剂只作用于二氧化碳，而 不会破坏周围的物质。换句话说，工业界可以将催化剂应用于大量捕获的气体，并选择性地只针对二氧化碳。催化剂也随着时间的推移保持稳定，这意味着它保持活性并且不会降解。

“在化学领域，催化剂在几个小时后失去选择性是很常见的，”Farha 说道。“但在恶劣条件下运行 500 小时后，其选择性并没有改变。”

这是特别值得注意的，因为二氧化碳是 一种稳定而又顽固的分子。

“转化二氧化碳并不 容易，”Khoshooei 说道。“二氧化碳是 一种化学性质稳定的分子，我们必须克服这种稳定性，而这需要耗费大量能源。”

碳清理的串联方法

开发碳捕获材料是 Farha 实验室的主要工作重点。他的团队开发了金属有机骨架 (MOF)，这是一种高度多孔的纳米级材料，Farha 将其比作“精密且可编程的沐浴海绵”。Farha 探索了 MOF 的多种应用，包括直接从空气中吸收二氧化碳。

现在，Farha 表示，MOF 和新催化剂可以共同发挥作用，实现碳捕获和封存。

Farha 建议：“在某个时候，我们可以采用 MOF 来捕获二氧化碳，然后用催化剂将其转化为更有益的物质。串联系统利用两种不同的材料进行两个连续步骤可能是未来的发展方向。”

“这可以帮助我们回答这个问题：‘我们该如何处理捕获的二氧化碳? ’”Khoshooei 补充道。“目前的计划是将其封存于地下。但地下储层必须满足许多要求才能安全永久地封存二氧化碳。我们希望设计一种更通用的解决方案，可以在任何地方使用，同时增加经济价值。”