二氧化碳+水=乙醇？！

材料牛注：俗话说，巧妇难为无米之炊。然而，在没有玉米或其他作物的条件下，Stanford大学的科学家们最近发现了一种更为可持续的方法来制作乙醇。这种极具应用前景的技术有三个基本组成部分：水，二氧化碳和通过铜催化剂输送的电力，该项研究的结果已发表在国家科学院院刊（PNAS）上。

【图注】斯坦福大学的科学家们设计了一种利用二氧化碳和水生产乙醇的铜催化剂。

美国的大部分汽车和卡车都是以90％汽油和10％乙醇为主要原料，而乙醇则是一种主要由发酵玉米制成的可再生燃料。但是，由美国司机每年生产140亿加仑的乙醇需要数百万英亩的农田。Stanford大学化学工程兼SLAC国家光子科学加速器实验室的副教授，此项研究首席研究员Thomas Jaramillo表示：“我们的终极目标之一是以不影响全球粮食供应的方式生产可再生乙醇。”

科学家们想要设计此类铜催化剂，选择将二氧化碳转化为更高价值的化学品和燃料，如乙醇和丙醇，并且该过程中几乎没有或完全没有副产物。但根据最近的研究进展看来，他们需要清楚地了解这些催化剂的实际工作原理。

铜晶体

对于此项PNAS研究，Stanford大学研究团队选择了三种结晶铜样品，称为铜（100），铜（111）和铜（751），科学家使用这些数字来描述单晶的表面几何形状。“铜（100），铜（111）和铜（751）在宏观上看起来几乎是完全相同的，但在表面上的原子排列方式有很大的差异，”SLAC的科学家Christopher Hahn说道，“我们工作的本质是了解铜的这些不同方面如何影响材料的电催化性能。”

在以前的研究中，科学家们已经制造了尺寸仅为1平方毫米的单晶铜电极。“在尺度这么小的晶体上，很难确定和量化表面上产生的分子，”Hahn解释道， “便难以进一步了解其进行的化学反应，所以我们的目标是制造具有较大单晶表面质量的铜电极。”

为了创造更大的样品，Hahn和SLAC的研究员开发了一种新颖的方法，即是在硅晶片和蓝宝石的大晶圆之上生长单晶状铜。“Chris做得太棒了，” Jaramillo说道， “他用六平方厘米的铜片表面制作了铜（100），铜（111）和铜（751），这些铜单晶比典型的单晶大600倍。”

催化性能

为了比较材料的电催化性能，研究人员将三个大电极置于水中，并将其暴露于二氧化碳气体中使其产生电流。结果表明，当施加特定电压时，由铜（751）制成的电极比由铜（100）或铜（111）制成的电极，在所得的液体产物上（例如乙醇和丙醇）具有更大的选择性，这可能是由于在这三个表面上铜原子不同的排列方式所造成。

“在铜（100）和（111）中，表面原子都紧密地堆叠在一起，如方格和蜂窝状。”Hahn说。 “因此，每个原子都与其周围的许多其他原子紧密结合，这样会使表面惰性更强。但是在铜（751）中，表面原子相对距离较远，较不稳定。”

“一个铜原子（751）只有两个最近的邻居，”Hahn说。 “但是，一个不与其他原子结合的原子是很失落的，这使得它越发强烈地想要与进入的反应物结合，如二氧化碳。我们认为这是产生高选择性高价值产品，诸如乙醇和丙醇的关键因素之一。”

Stanford大学的团队希望能开发一种以工业化规模有选择地生产碳中和燃料以及化学物质的技术。Jaramillo说：“让我们引以为傲的成果是通过以二氧化碳作为原料，并将其直接转化为更有价值的可再生电力或阳光，从而创造出更具竞争力的催化剂。我们计划在镍和其他金属上使用这种方法来进一步了解材料表面的化学性质，虽然这项研究是一个重要的难题，但它将为该领域开辟新的研究途径。”

该研究还由联合主编作者Toru Hatsukade，Drew Higgins和Stephanie Nitopi、SLAC的同事Youn-Geun Kim以及加州理工学院 Jack Baricuatro和Manuel Soriaga共同参与。

原文链接:Sustainable ethanol from carbon dioxide? -- ScienceDaily 

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