2016年1月7日，中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室謝毅教授及孫永福特任教授課題組在《自然》雜志發(fā)表了“雜化二維超薄結(jié)構電催化還原二氧化碳”的研究成果，為二氧化碳催化轉(zhuǎn)化成液體燃料提供了一種新的方案。
　　過去二氧化碳活化需要大量能源
　　進入本世紀以來，工業(yè)化進程中二氧化碳等溫室氣體的大量排放，致使全球變暖的速度逐步加快；另一方面，不可再生化石燃料的大量消耗，敲響了全球能源危機的警鐘。為應對這兩大嚴峻威脅，近年來，科學家們一直在尋求各種能夠?qū)嶋H應用的技術，將化石燃料燃燒釋放二氧化碳的過程逆向，既能減少二氧化碳的排放，也能緩解一些能源短缺。
　　“二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化有光催化、電催化、光電催化和加氫氣整合等多種途徑，我們課題組的這個工作只是電催化還原二氧化碳的一些機理研究，而非追求性能。”昨天，謝毅接受記者電話采訪時表示，電催化還原過程可將二氧化碳還原成各種碳氫燃料分子，獲得甲烷、甲酸、甲醇等燃料。但二氧化碳非常穩(wěn)定，電還原二氧化碳過程的一個瓶頸就是如何將高穩(wěn)定性的二氧化碳活化，這往往需要非常高的過電位；而過電位的存在不僅浪費大量的能源，還往往導致還原產(chǎn)物選擇性地降低。
　　一般而言，貴金屬制備的催化劑具有較高的催化活性，但價格高昂嚴重限制了其大規(guī)模應用。為此，科學家們都在尋找各種相對廉價的金屬催化劑。
　　超薄結(jié)構和金屬氧化物共存更有利
　　過往研究顯示，通過金屬氧化物還原得到的金屬催化劑比通過其它方法制備的金屬催化活性要高，甚至能將二氧化碳還原電位降低到熱力學的最小值。“但是，一直都沒有搞清楚為什么這些表面金屬氧化物能提高電催化性能，這主要是因為以前制備的催化劑中含有大量的微結(jié)構，如界面、缺陷等，這些微結(jié)構的存在很容易掩蓋住表面金屬氧化物對其自身金屬催化性能的影響，各種組分的作用不容易判斷清楚。”謝毅說。
　　為此，課題組構建了一種雜化模型材料體系，即數(shù)原子層厚的金屬和金屬氧化物雜化超薄結(jié)構，它的特點是模型清晰、材料超薄和表面活性原子多。研究發(fā)現(xiàn)，局限在超薄結(jié)構中的表面鈷原子，比塊材中的表面鈷原子在低的過電位下具有更高的本征催化活性和更高的產(chǎn)物選擇性，鈷原子層的部分氧化進一步增加了其本征催化活性。
　　“也就是說，金屬原子在位于特定的排列方法和氧化價態(tài)時，可能具有更高的催化轉(zhuǎn)化活性，即超薄二維結(jié)構和金屬氧化物的存在提高了催化還原二氧化碳的能力。”謝毅說。
　　不過，將二氧化碳“清潔”轉(zhuǎn)化為碳氫能源并不是一蹴而就的，實用化仍有很長的路要走。謝毅說，目前國際上很多學者都在做二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化研究，但現(xiàn)在的研究都還處于純基礎研究階段。謝毅還表示，二氧化碳的實際應用，除了催化轉(zhuǎn)化這一過程之外還有很多困難要解決，包括轉(zhuǎn)化前空氣中的二氧化碳需要捕獲和富集，以及轉(zhuǎn)化后產(chǎn)物的分離等，這些都還存在許多技術壁壘。