作者:李思辉 高翔 廖鑫 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2023/5/7 9:38:30
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820小时破世界纪录!4年终登Nature,他们揭开梦想一角

 

文 | 《中国科学报》记者李思辉  通讯员 高翔 廖鑫

“二氧化碳不是坏东西,而是一种碳源,它不仅可以做乐高玩具,还可以制衣服、制香水!”在华中科技大学光电信息学院教授庞元杰眼里,很多人认为是个“问题”的二氧化碳简直是块“宝”。

《中国科学报》记者从华中科技大学获悉,该校庞元杰教授团队历时四年,以二氧化碳为原料高效制备醋酸,揭开了“零碳”制造梦想的一角,研究成果多项指标大幅打破世界纪录,相关成果5月3日刊发于《自然》杂志。

但他们的论文投稿也曾经历一波三折,被《科学》拒稿,转投《自然》,又在审稿专家要求下,将实验从15个小时跑到“疯狂”的820小时……

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华中科技大学庞元杰教授正在配制催化剂浆料。班倩/摄

一个“零碳”制造的科学梦想

为什么“盯上”二氧化碳?庞元杰告诉《中国科学报》,工业革命以后,如何应对以二氧化碳为代表的温室气体排放是人类面临的一个棘手问题。以往一些研究者也开展过针对二氧化碳的利用,但大多是单向利用,比如汽水饮料中的二氧化碳,人喝下去后,打个嗝又释放出来,大多未能达到零排放和循环利用的目标。
能否以更先进技术电解二氧化碳,获得人类需要的生产生活资源,从而变废为宝、循环利用,真正实现“零碳”?怀着这个梦想,2018年回国后,庞元杰在过往研究的基础上,准备创新方法手段开展“零碳”制造技术研究。2019年,博士后金健加入该团队后,这项研究正式启动。
该团队以“零碳”制造为目标,从醋酸开始着手,使用清洁可再生电能不仅让生产醋酸的过程中不产生二氧化碳,还能够消耗二氧化碳制备醋酸。据介绍,醋酸,又名乙酸,是一种重要的有机化工原料,制造化纤衣物、香水香氛、塑料加工品等都需要大量使用这一原料。传统方法生产醋酸通常采用化学合成或淀粉发酵法,用这些方法,“每生产1千克醋酸会排放约1.6千克二氧化碳”。我国作为全世界第一大醋酸生产国,醋酸年产量超过800万吨,给生态环境治理带来了很大压力。
庞元杰教授团队以醋酸为目标产物,联合多伦多大学E.H. Sargent小组、武汉理工大学麦立强小组,通过电催化二氧化碳还原技术,开展醋酸的“零碳”制造。
电催化二氧化碳还原技术是一种颇具潜力的清洁能源存储手段。但是在电解过程中,如何高选择性、高速地生产单一高附加值产物却是团队困扰已久的问题。电解水只可以获得氧气和氢气,电解二氧化碳却可以获得20余种产物。
“这项研究的一个难题就是在电解二氧化碳得到的20余种产物中,精准得到我们想要的东西。”庞元杰介绍,为了稳定醋酸的生成率,研究团队要解决的首要问题是反应装置的设计与搭建,其次是催化剂的选择。
该团队利用高压装置和催化剂上的创新,以电催化二氧化碳还原技术为基础,采用“两步法”二氧化碳还原途径,稳定住醋酸反应路径的关键中间基团,最终高产率合成了醋酸。

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庞元杰教授团队现场操作高压强反应装置。班倩/摄

直面《自然》杂志给出的研究难题

为了稳定醋酸反应路径的关键中间基团,实现零碳制备目标,该团队自主发明了一套高压三相界面装置,并在此基础上开展了一系列艰苦研究。

“一开始就遇到很多困难。”团队成员金健告诉记者,因为这项技术的前期研究在国外,归国后庞元杰教授带领团队自主研发实验设备,把设备从常压版本升级为高压版本后,一直重复不了当时的数据。大家到处找原因,最后连“实验楼地线没有完全接地”之类的问题都摸排出来了。此外,选择合适的催化剂也是一个艰难的过程。
解决了上述所有问题,他们终于得到了“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”这一重要研究成果。其主要原理是使用二氧化碳和水为原料,生成乙酸这一种主要产物。
实验成功,团队成员都很兴奋,他们投稿给《科学》,却很快被拒稿了。2021年转投给《自然》杂志,审稿专家一针见血地提出问题:“实验稳定性不够。”彼时,他们的试验稳定时间仅为15个小时。
调整设备、优化催化剂选择、更加精细地进行实验,经过一系列努力,他们终于将稳定性提升至50小时,再次兴冲冲地投稿过去。然而,戏剧性的事又发生了。《自然》审稿专家回信认为,50小时还不够,因为相关领域科学家已经发表文章,能够连续500小时保持乙酸生成率50%以上了。
实验数据上的竞争对应着激烈的国际竞争。继续调整设备、优化催化剂选择、更加精细地进行实验,终于,该团队“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”实验连续稳定性突破了200小时。“不要停!”庞元杰叮嘱科研人员“一定要让设备继续跑下去!”
300小时、400小时、突破了500小时!“继续!”
刷新500小时的世界纪录后,团队成员更加视实验设备为珍宝。为了避免被人为中断,年轻的博士们在实验室门上注明:“正在进行重要实验,恳请暂缓其他实验。”为了防止大楼保安、保洁等人员误入,他们又小心地贴上告示:“正在进行重要实验,有事电话联系,15分钟内必到!”
终于,经历了一段时间的紧张运行后,该实验在“820小时”这一节点停了下来。庞元杰告诉记者:“停下来的原因不是实验本身的问题,而是一个柱塞泵滤网堵了,可能柱塞泵的制造厂商也没考虑到,居然需要让泵连续、高压运转那么久。”
在选择性、能量转化效率、稳定性上大幅刷新世界记录后,庞元杰团队终于在2023年春节前收到了《自然》的录用通知。

努力让二氧化碳得到更广泛的应用

“我记得很清楚,接到《自然》录用通知那天是腊月二十三,历经四年的煎熬,大家在春节前终于熬出来了!”庞元杰说,同行认可让他觉得自己多年的坚持是对的,没有辜负团队成员的信任。
执着于这项复杂研究的博士后金健,此前因为一直没有显著成果问世,已经连续两次延期出站,“即便耐得住寂寞,却也掩盖不住焦虑”。四年、上千个日夜的艰苦研究,终于有所回报。
“不仅是醋酸这类羧酸类化学品,烃类、醇类等重要化学品也有望实现‘零碳’制造。”谈及未来,庞元杰表示该团队将利用上述技术,让二氧化碳在医药、燃料、化工原料的生产过程中得到更广泛的应用。
他举例说,比如将太阳能发电板发出的电能转换为便于储存的燃料化学能,再将燃料化学能有序释放,实时满足生活和生产的各种用能需求。再比如,选用合适的催化剂进行乙醇(酒精)的生产,从而摆脱对以农作物为原料生产乙醇的依赖,减少对土地和粮食的资源消耗,使乙醇能够更大范围地应用于清洁能源。

相关论文信息:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05918-8

 
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