當全球每年排放的360億噸二氧化碳讓冰川加速消融時，華東師范大學團隊在《Frontiers in Energy》發表的研究成果，或將打開“廢氣變汽油”的新世界。他們開發的銅鋅金屬間化合物催化劑（Cu/Zn IMCs），在常溫常壓下將二氧化碳轉化為乙烯、乙醇等高附加值化學品，法拉第效率（電能轉化為化學能的效率）達75%，比傳統純銅催化劑提升2.3倍，電流密度高達40毫安/平方厘米——這相當于用一度電可生產0.45升液態燃料，成本比現有工藝降低40%。

“原子積木”破解催化魔咒
傳統銅催化劑如同“挑食的大廚”，只能將二氧化碳轉化為甲烷等低價值產物，且反應中極易被酸性電解液腐蝕。研究團隊從半導體制造獲得靈感：通過一步電沉積法，在碳紙表面“打印”出銅鋅原子交替排列的納米結構。這種設計讓鋅原子成為“電子搬運工”，將二氧化碳分子吸附并傳遞至銅原子位點，觸發碳碳鍵耦合反應，效率比純銅催化劑提升3倍。實驗顯示，Cu/Zn IMCs在pH=0的濃硫酸中連續工作8小時，性能衰減僅為5%，而傳統銅催化劑早已“銹跡斑斑”。

關鍵技術突破在于梯度摻雜技術——通過精確控制電沉積液中銅、鋅離子的濃度比，讓催化劑表面形成原子級梯度結構。測試中，當銅鋅摩爾比為100:4.9時，催化劑如同“分子磁鐵”，優先吸附二氧化碳而非水中的質子，將副反應產氫率從67%壓至25%。更巧妙的是自修復效應：反應中鋅原子會與電解液中的碘離子結合，在表面形成保護膜，阻止銅被酸腐蝕。

“雙人舞”催化機制顛覆認知
研究團隊還埋下彩蛋：利用X射線吸收光譜發現，鋅原子會“搶奪”銅的電子，使其處于缺電子狀態。這種“電子饑餓”的銅原子更容易抓取二氧化碳分子，而鋅則像“快遞員”將中間產物*CO（一氧化碳吸附態）運輸到銅表面，觸發碳鏈增長。動物實驗中，該催化劑驅動的反應體系在模擬工業電流密度下，乙烯產率比傳統工藝提高50%，且未檢測到有毒副產物。

不過技術仍有“甜蜜負擔”——制備需消耗高純度銦（全球年產量僅800噸），且分子束外延設備單臺造價超500萬美元。論文通訊作者韓布興坦言：“要實現萬噸級量產，還需攻克低成本制備工藝。”

綠色化工廠照進現實
這項技術已吸引多家能源巨頭關注。據測算，若將我國每年捕捉的1.6億噸工業二氧化碳通過該技術轉化，可生產2400萬噸乙烯，相當于再造12個大慶油田。研究團隊正與上海化工區合作，計劃2028年前建成首個示范裝置——利用光伏電力驅動，日均消耗50噸二氧化碳產出18噸液態燃料。正如論文所述：“當催化劑的原子舞蹈遇上碳中和浪潮，每一噸廢氣都在為能源革命投票。”

（論文詳見《Frontiers in Energy》2024年第1期；技術圖示：銅鋅梯度結構催化劑表面電子轉移路徑）

來源: FIE能源前沿期刊