由于化石燃料的燃烧对空气产生污染，现代社会需要大量的可再生能源。研究人员研究将大量CO2转化为燃料，或者电催化转化为其它有用的化学品，促进清洁能源的发展。该反应的瓶颈是线性CO2分子活化为吸附的椅式的羧酸盐CO2？。图片来源：Irina Chernyshova和Sathish Ponnurangam / Columbia Engineering
哥伦比亚工程师利用表面增强拉曼光谱观察如何在电极-电解质界面激活CO2 ，他们的发现将催化剂设计从实验-错误方法转变为合理的方法，并可能创造出可替代的，更便宜的，更安全的可再生能源。
2018年9月17日在纽约的一些科学家们一直在寻找将丰富的二氧化碳转化为有用的产品（如化学品和燃料）的方法。 早在1869年，他们就能够将二氧化碳电催化转化为甲酸。 在过去二十年中，地球大气中二氧化碳的增加大大加速了使用可再生能源（包括太阳能，风能和潮汐能）进行二氧化碳转化的研究。 因为这些资源是断断续续的 - 太阳不会每天都闪耀，风也不会随之而来 - 如何安全且经济地储存可再生能源是一项重大挑战。
最近的研究电催化CO2转换重点提出使用CO2作为原料和再生电力作为为不同类型的燃料和增值化学品如乙烯，乙醇，和丙烷的合成提供动力的能源。但是科学家还是甚至对于这些反应-CO2的活化反应过程或者在催化剂表面线性CO2分子的转化存在疑惑。了解活化CO2的确切结构这是至关重要的，因为它的结构决定了反应的最终产物和能源成本。该反应可以从许多初始步骤开始并经历许多途径，通常给出产物的混合物。如果科学家致力于研究这一过程是如何起作用的，那么他们需要选择性地促进或抑制某些途径，从而为这项技术开发出商业上可行的催化剂。
哥伦比亚工程学院研究人员今天宣布，他们解决了第一个难题，因为他们已经证明CO2电还原开始于一个常见的中间体，而不是人们通常认为的两个。他们应用了一套全面的实验和理论方法来确定第一个CO2电还原中间体的结构：羧酸盐CO2 - 用C和O原子连接到表面。他们的突破，如今在线发表在PNAS杂志上，采用表面增强拉曼散射（SERS）代替更常用的表面增强红外光谱（SEIRAS），光谱结果已经通过量子化学模型得到证实。
该论文的主要作者，地球与环境工程系副研究员Irina Chernyshova说“我们对CO2的发现将激活一个令人难以置信的宽广范围的可能性：如果我们可以准确地理解CO2的电还原，我们就可以减少对化石燃料的依赖，有利于应对气候变化，此外，我们见到的在固-液界面的CO2活化将使研究人员能够更好的建立CO2益生元的模型，这将可能导致涉及到起源于这个星球的复杂的有机分子。”
他们决定使用SERS而不是SEIRAS进行观察，因为他们发现SERS具有几个显着优势，可以更准确地识别反应中间体的结构。 最重要的是，研究人员能够测量沿着整个光谱范围和操作电极（在操作中）在电极 - 电解质界面处形成的物种的振动光谱。 通过使用量子化学模拟和传统的电化学方法，研究人员能够首先详细了解如何在电极 - 电解质界面激活CO2。”
该论文的共同作者Sathish Ponnurangam，Somasundaran实验室的前研究生和博士后，现在是加拿大卡尔加里大学化学和石油工程助理教授说道，理解第一反应中间体的性质是将电催化CO2转化为有用化学品进行商业化的关键步骤。它为从试错法转向合理的催化剂设计奠定了坚实的基础。凭借这些知识和计算能力，研究人员将会能够更准确地预测不同催化剂上的反应，并指出最有希望的催化剂，可以进一步合成和测试。
CalTech的化学，材料科学和应用物理学的Charles和Mary Ferkel教授William Goddard说道“哥伦比亚工程实验提供了这样的细节，我们应该能够获得对计算模型的非常确定的验证。我希望与我们的理论一起，哥伦比亚工程实验将提供精确的机制，并研究不同合金，表面结构，电解质，添加剂的机制如何变化，应该能够优化用于水喷射的电催化剂（太阳能燃料），燃料产生CO2减少和有机原料，N2还原成NH3，以获得更便宜的肥料，这是社会获得能源和食物以适应我们不断增长的人口所面临的所有关键问题。“
电催化和光催化（所谓的人工光合作用）是实现可再生能源有效储存的最有前途的方法之一。CO2电还原已捕捉研究者的想象，因为它类似于超过150年前的科学家的关于光合作用的想象力，只是作为植物将太阳光转换成化学能。通过催化剂将可再生能源转换为化学能的电子存储在降低CO2的产品。除了应用于可再生能源，电催化技术也可以用于使载人火星任务通过从占地球大气层的95％ CO2 制备含碳化学品提供燃料进行回程。
Ponisseril Somasundaran，矿物工程的LaVon Duddleson Krumb教授，地球与环境部说“我们希望我们的研究结果和方法能刺激如何让不仅是电或者光催化CO2产生更快的速度和更低的能源成本，在后一种情况下，催化剂减少CO2使用阳光直射。尽管这两种方法实验不同，他们是微观相似-二者都开始于从催化剂表面的电子转移中的CO2的活化。在这一点上，相信这两种方法都将主宰未来。“
该小组目前正在努力发现随后的反应步骤，看如何CO2进一步转化和开发，利用地球丰富的元素，如Cu（铜）和Sn（锡）这些优越的催化剂。
该研究的标题是“On the origin of the elusive first intermediate of CO2 electroreduction”。
