几十年来，科学家们一直在寻找有效的方法来消除空气中多余的二氧化碳排放，并将它们再循环成可再生燃料等产品。但是将二氧化碳转化为有用的化学物质的过程是冗长的、昂贵的、浪费的，因此在经济上和环境上都是不可行的。
现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley National Laboratory, Berkeley Lab)和人工光合作用联合中心(Joint Center for Artificial光合作用，JCAP)的研究人员发现，通过一种铜催化剂，将二氧化碳回收成有价值的化学品和燃料既经济又高效。
这项研究发表在12月17日出版的《自然催化》杂志上。
行动的方向:特定于产品的活动站点
JCAP的研究人员乔尔阿格(Joel Ager)领导了这项研究，他说，当你拿一块铜金属时，它摸起来可能很光滑，但在微观层面上，它的表面实际上是凹凸不平的，这些凹凸就是科学家们所说的“活跃部位”。阿格是伯克利实验室材料科学部的科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程系的副教授。
这些活性位点是电催化的神奇之处:铜表面的电子与二氧化碳和水进行一系列的相互作用，将它们转化为乙醇燃料等产品;乙烯，塑料袋的前身;还有丙醇，一种制药工业中常用的酒精。
自从1980年代,当铜的人才将碳转化为各种有用的产品被发现,人们总是认为其活跃的网站并不是特定于产品的——换句话说,您可以使用铜作为催化剂制造乙醇,乙烯,丙醇,或其他碳基化工、但是你必须经过很多步骤单独的意外,在到达你的最终目的地——化学最终产品之前，在化学反应的中间阶段形成的残余化学物质。
“‘绿色’或可持续化学的目标是在化学合成过程中得到你想要的产品，”阿格说。“你不想把你不想要的东西和理想的产品分开，因为那样既昂贵又不环保。”这种成本和浪费降低了碳基太阳能燃料的经济可行性。
所以当蒸机和合作者Yanwei烟囱,他是加州大学伯克利分校博士生在熟化器的实验室的研究中,正在调查为太阳能燃料项目铜的催化性质,他们想,“如果像光合作用在自然界中,我们可以使用电子从太阳能电池来驱动特定活动网站的铜催化剂使纯产品的碳基燃料或化学流?”蒸机说。
通过“护照”追溯化学物质的起源
以前的研究已经表明，“氧化”或生锈的铜是制造乙醇、乙烯和丙醇的优良催化剂。研究人员推测，如果铜中的活性位点实际上是特定于产品的，他们就可以通过碳同位素来追踪这些化学物质的来源，“就像护照上盖着邮票，告诉我们他们去过哪些国家，”阿格说。
阿格说:“当我们想到这个实验时，我们认为这是一个非常不明显的想法，尝试它会是疯狂的。”“但我们不能让它离开，因为我们也认为它会起作用，因为我们之前对同位素的研究让我们发现了新的反应途径。”
因此，在接下来的几个月里，林和阿格用碳的两种同位素——碳12和碳13——进行了一系列实验，作为“护照印章”。二氧化碳被标记为碳-12，而一氧化碳——碳-碳键形成的关键中间体——被标记为碳-13。根据他们的方法，研究人员推断，在一种产品中发现的碳-13与碳-12的比例将决定该化学产品源自哪个活性位点。
Lum在JCAP进行了数十次实验，使用最先进的质谱和核磁共振(NMR)光谱分析结果后发现，其中三种产物——乙烯、乙醇和丙醇——具有不同的同位素特征，表明它们来自催化剂上的不同位置。Lum说:“这一发现促使未来的研究工作去分离和识别这些不同的遗址。”“将这些特定于产品的位点放入单一催化剂中，总有一天会产生非常高效和有选择性的化学产品，”
化工制造业的绿色未来
研究者的新方法——蒸机描述为“简单的化学与环境和经济”——是他们希望的开始可能是一个新的开始对绿色化学制造、太阳能电池可以满足电子铜催化剂中的特定活动网站优化乙醇燃料的生产。
他说:“也许有一天，这项技术能让类似炼油厂的东西成为可能，但它是由太阳能驱动的，可以把二氧化碳从大气中提取出来，创造出一系列有用的产品。”
——文章发布于2018年12月18日
