研究人员用掺氮碳纳米管将二氧化碳还原为一氧化碳

使用太阳能或风能生产碳基燃料，也就是通常所说的化石燃料，似乎是一种让世界变得更绿色的弄巧成拙的方法。但当起始材料是二氧化碳时，它可以从空气中拖出，这种方法是最环保的。目前还没有经济可行的技术，但最近发表的一篇论文表明，不仅是减少二氧化碳排放，在这方面又向前迈进了一步₂但要把它变成一种有用的燃料，这是碳中和未来的一部分。

南卡罗莱纳大学(University of South Carolina)化学工程副教授周晓东(音译)是一个研究可持续利用可再生能源的团队的一员。太阳能电池板和风力涡轮机是最典型的发电方式，但从大范围来看，来自这些来源的电力会带来问题。公用事业需要随时满足需求，所以如果一个电力公司完全依赖风能或太阳能，当太阳躲到云后或风休息时，会发生什么?

另一种长期以来一直在讨论的替代方案是使用绿色电力来消除二氧化碳₂在能量阶梯上。二氧化碳是发电厂烟囱燃烧产生的副产品，它在地球大气中含量越来越多，但对于碳基燃料来说，它处于“山脚下”。随着能量的消耗，能量也随之消耗。

如果你能给它加一些能量，你就能转化CO₂转化成碳化合物，它们是燃料，而不是废物。用化学术语来说，这叫做CO还原₂当你把它转化成低氧化形式的碳，所有这些都有实际的燃料价值。一些要瞄准的单碳分子包括(在增加能量含量方面)一氧化碳(CO)、甲醇和甲烷。

它们中的任何一种都可以在多云或无风的情况下储存一段时间，而且在大多数情况下比电力更容易储存。甲烷是天然气的主要成分，目前已有大量的天然气基础设施。甲醇，或木醇，是乙醇(或谷物酒精)的近亲，通常被用作液体燃料。在这种情况下，一氧化碳可能看起来不太寻常，但它作为一种燃料具有化学价值，无论是本身还是作为其他燃料的前体。

当然，关键是要做到CO₂减少经济。这意味着不仅要有效地将电能转化为化学能，而且要使完成这项工作的设备具有成本效益。

周和他的研究团队最近在《Angewandte Chemie》上发表了一篇论文，展示了这两个方面的进展。他们已经开发出了潜在的廉价催化剂，可以有效地转化CO₂在电化学电池中转化为一氧化碳。

作为制造催化剂的起点，他们使用了纯碳原子制成的碳纳米管模型。而是在制造CO的催化剂时₂还原过程中，他们脱离了只有碳的模式，通过加入几个氮原子来创造一种不同的几何和电子结构。

由此产生的“氮掺杂碳纳米管”被证明能够很好地还原CO₂该团队报告说，对于相同的反应，这种催化剂比文献中报道的金属基催化剂更稳定。

更重要的是，研究人员更进一步，定义了氮掺杂碳纳米管上的微观结构如何影响催化作用。当氮原子被取代到碳纳米管中碳原子的位置时，会产生几种不同的化学键模式。研究小组表明，其中一种被称为吡啶结构的催化剂是最有效的电催化剂，甚至可以与已经报道过的用于CO的更昂贵的贵金属催化剂相媲美₂减少。

到目前为止，周和他的同事们对他们的成功感到高兴，但研究团队的目标更高。

“我们正在与其他机构合作，他们正在开发另一边，即水的一边，使用光伏来分解水，最终我们希望将这两种反应结合在一起，”周说。“因此，一边将是水分裂，从阳极产生质子，通过电解液到达阴极，然后与二氧化碳和进入的电子反应，将二氧化碳转化为燃料。一氧化碳是一种可以生产的燃料，甲烷和甲醇也是可以生产的燃料。

“还有很长的路要走，但这是一个开始。”

来源:http://www.sc.edu/