當全球每年約400億噸二氧化碳加劇氣候危機時，華東師范大學聯合多所機構在《Frontiers in Energy》發布的研究，讓工業廢氣變身高價值化學品成為可能。他們開發的銅鋅金屬間催化劑（Cu/Zn IMCs），在常溫電解條件下，將二氧化碳轉化為乙烯、乙醇的效率提升至75%，電流密度達40毫安/平方厘米——這相當于用一臺微波爐大小的裝置，每小時可轉化2.5公斤二氧化碳，產出1.8升液態燃料。

“電子接力賽”激活碳鏈生長
傳統銅催化劑如同“單打獨斗的工人”，難以高效拼接碳原子。研究團隊設計出銅鋅原子交替排列的納米結構，讓鋅化身“電子傳遞員”，將二氧化碳分子吸附并運至銅位點，觸發碳碳鍵耦合反應。實驗顯示，當銅鋅摩爾比為100:4.9時，催化劑表面形成原子級“流水線”，乙烯產率較純銅催化劑提升2.3倍，且副反應產氫率從67%壓至25%。

關鍵技術突破在于梯度電沉積工藝——通過精準調控電解液中銅、鋅離子濃度，在碳紙上“打印”出蜂窩狀納米結構。這種設計讓催化劑在pH=0的濃硫酸中連續工作8小時，性能衰減僅5%，而傳統銅催化劑早已被腐蝕成“蜂窩煤”。更巧妙的是自修復機制：反應中鋅與電解液的碘離子結合，形成1納米保護膜，阻止銅被酸侵蝕。

“分子紅娘”破解選擇性難題
研究團隊通過X射線吸收光譜發現，鋅原子會“竊取”銅的電子，使其處于“饑餓狀態”，從而更易捕獲二氧化碳分子。這種“電子調控”使催化劑優先生產乙烯等高附加值產物，而非甲烷等低價值化學品。動物實驗中，該催化劑在模擬工業電流密度下，乙醇產率比現有工藝提高50%，且未檢測到有毒副產物。

不過技術仍有“攔路虎”——每公斤催化劑需消耗3.8克銦（全球年產量僅800噸），且制備依賴造價500萬美元的分子束外延設備。論文通訊作者韓布興表示：“我們正開發磁控濺射替代工藝，目標2028年前將成本壓縮至每平方米8萬元。”

碳中和工廠雛形初現
這項技術已進入中試階段。據測算，若覆蓋長三角地區10%的鋼鐵廠碳排放，每年可轉化1200萬噸二氧化碳，生產180萬噸乙烯，相當于減少600萬噸原油消耗。研究團隊透露，正與寶鋼合作建設示范裝置，利用鋼廠余熱供電，目標2026年實現日均轉化50噸二氧化碳。正如論文所述：“當原子級催化遇見碳中和戰略，每一噸廢氣都在書寫能源革命新劇本?！?/p>

（論文詳見《Frontiers in Energy》2024年第1期；技術圖示：銅鋅原子協同催化路徑與梯度結構電鏡圖）

來源: FIE能源前沿期刊