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用空氣中的二氧化碳做衣服？制香水？造玩具？這不是夢，而是華中科技大學光電信息學院龐元杰教授團隊歷時4年的最新研究成果。該團隊聯合多倫多大學E.H.Sargent小組、武漢理工大學麥立強小組，以二氧化碳為原料高效制備醋酸，多項指標打破世界紀錄。相關成果于5月3日在國際權威期刊《自然》發(fā)表。

(資料圖片)

進軍：兩步還原改變二氧化碳

醋酸，又名乙酸，是一種重要的有機化工原料，大量應用于化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等制造過程。

據了解，傳統(tǒng)方法生產醋酸通常是采用化學合成或淀粉發(fā)酵法，用這些方法，每生產1千克醋酸會排放約1.6千克二氧化碳。我國作為全世界第一大醋酸生產國，醋酸年產量超過800萬噸，生態(tài)環(huán)境面臨巨大壓力。

2018年夏，龐元杰教授回國，帶著一身所學投入到“零碳”制造領域。他介紹，電催化二氧化碳還原技術是極具潛力的清潔能源存儲手段，當時國際上有“一步法”“兩步法”兩種途徑，但穩(wěn)定性和能量轉化率都不理想。龐元杰組建國內團隊后，選擇步驟復雜但前景光明的“兩步法”：先將二氧化碳轉化為一氧化碳，再將一氧化碳升級還原，并開始攻堅乙酸的“零碳”合成。

首先要“搭廠房”（高壓強三相界面反應裝置），讓二氧化碳在其中“變身”。“廠房”不好搭，得把以前的常壓升級為高壓，花了將近一年時間，團隊博士后金健終于做出雛形。

其次是選擇催化劑。銅基催化劑是二氧化碳電催化還原反應中效率最高的催化劑之一，但為了專門合成乙酸，團隊必須選擇含銅較低的催化劑。如何發(fā)揮其最大效能，團隊選擇將銅分散在金、銀、鎳3種金屬中，反復實驗，觀察出銀與銅結合反應最高效。

在“廠房”的高壓條件下，氣液平衡，通道順暢，碳原子們“手拉手站起來”，完成碳—碳偶聯步驟，最終高產率合成乙酸。

決戰(zhàn)：一氣呵成沖上800小時

從2018年9月項目啟動，龐元杰和年輕的團隊成員就泡在了實驗室。

二氧化碳轉化“廠房”能連續(xù)運行多久？這是穩(wěn)定性的重要體現。從50小時開始，他們一步步往上提升。那段時間，龐元杰將團隊微信群名改為“決戰(zhàn)！！200小時”，誓達目標。“當時我們把其他實驗都停了，不允許外人進入實驗室，全力攻關，沒想到那一次，指針沖上200小時還不停，一直沖，一直沖，直到停在了820小時，我們激動萬分……”

此前，他們有著向《自然》投稿被要求“返修”的痛苦，有著無數次實驗的停滯，但在那一刻，都化作歷經千辛萬苦后的喜悅。當穩(wěn)定性測試在2022年年底完成，那個春節(jié)也成為他們最開心的春節(jié)。

不懈：終于找到“消失”的乙酸

電解后，產物分解檢測出現了奇怪的現象：所有產物加起來不到100%，有一小部分不見了。它們去哪兒了？團隊不放過這個細節(jié)，一項項排查，終于找回“消失”的那部分。原來，乙酸是透過滲透膜“跑”到了陽極。及時更換滲透膜，就能避免日后的乙酸“消失”。龐元杰說，科學精神的關鍵是創(chuàng)新，也是不放過每個細節(jié)的嚴謹。

歷時4年，龐元杰團隊研究成果“限制二碳吸附基團構象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”顯示，該實驗使用一氧化碳和水為原料生成乙酸，并能夠連續(xù)820小時保持乙酸生成率80%以上，在選擇性、能量轉化效率、穩(wěn)定性上打破了現有世界紀錄。

研究成果于5月3日在《自然》發(fā)表。華中科技大學光電信息學院博士后金健、博士生閔秋紅，多倫多大學的Josh Wicks和上海交通大學的李俊教授為論文第一作者。龐元杰教授、多倫多大學E.H.Sargent教授、武漢理工大學麥立強教授為論文通訊作者。

龐元杰介紹，技術可行性分析報告顯示，這一成果在同類技術中性能最高、成本最低。

利用該技術，不僅是醋酸這類羧酸類化學品，烴類、醇類等重要化學品也有望實現“零碳”制造，讓二氧化碳在醫(yī)藥、燃料、化工原料的生產過程中得到更廣泛的應用。該技術可以將太陽能發(fā)電板發(fā)出的電能轉換為便于儲存的燃料化學能，再將燃料化學能有序釋放，實時滿足生活和生產的各種用能需求。選用合適的催化劑還可以進行乙醇（酒精）的生產，從而擺脫對以農作物為原料生產乙醇的依賴，減少對土地和糧食的資源消耗，使乙醇能夠更大范圍地應用于清潔能源。

“下一步，我們要沖擊1萬小時！到那時，工業(yè)應用指日可待。”龐元杰充滿信心。

（湖北日報全媒記者 方琳 通訊員 高翔 劉雪茹 范千）

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