“二氧化碳不是壞東西，而是一種碳源，它不僅可以做玩具，還可以制衣服、制香水！”在華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院教授龐元杰眼里，很多人認(rèn)為是個“問題”的二氧化碳簡直是塊“寶”。

 

《中國科學(xué)報》記者從華中科技大學(xué)獲悉，龐元杰團(tuán)隊(duì)歷時4年，以二氧化碳為原料高效制備醋酸，揭開了“零碳”制造夢想的一角。其研究成果多項(xiàng)指標(biāo)大幅打破世界紀(jì)錄，相關(guān)論文5月3日刊發(fā)于《自然》。

 

不過，他們的論文投稿也曾經(jīng)歷一波三折，被《科學(xué)》拒稿，轉(zhuǎn)投《自然》，又在審稿專家要求下，將實(shí)驗(yàn)從15小時“跑”到“瘋狂”的820小時……

 

一個“零碳”制造的科學(xué)夢想

 

為什么“盯上”二氧化碳？龐元杰告訴《中國科學(xué)報》，工業(yè)革命以后，如何應(yīng)對以二氧化碳為代表的溫室氣體排放是人類面臨的一個棘手問題。以往一些研究者也開展過針對二氧化碳的利用研究，但大多是單向利用。比如飲料中的二氧化碳，人喝下去以后，打個嗝二氧化碳又釋放了出來，大多未能達(dá)到零排放和循環(huán)利用的目標(biāo)。

 

能否以更先進(jìn)的技術(shù)電解二氧化碳，獲得人類需要的生產(chǎn)生活資源，從而變廢為寶、循環(huán)利用，真正實(shí)現(xiàn)“零碳”？懷著這一夢想，2018年回國后，龐元杰在過往研究基礎(chǔ)上，準(zhǔn)備創(chuàng)新方法開展“零碳”制造技術(shù)研究。2019年，博士后金健加入龐元杰團(tuán)隊(duì)，這項(xiàng)研究正式啟動。

 

該團(tuán)隊(duì)以“零碳”制造為目標(biāo)，從醋酸著手，使用清潔可再生電能，生產(chǎn)過程不僅不產(chǎn)生二氧化碳，還能消耗二氧化碳。

 

醋酸，又名乙酸，是一種重要的有機(jī)化工原料，制造化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等都需要大量使用這一原料。傳統(tǒng)方法生產(chǎn)醋酸通常采用化學(xué)合成或淀粉發(fā)酵法，用這些方法，“每生產(chǎn)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(chǎn)國，醋酸年產(chǎn)量超過800萬噸，給生態(tài)環(huán)境治理帶來了很大壓力。

 

以醋酸為目標(biāo)產(chǎn)物，龐元杰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加拿大多倫多大學(xué)E.H. Sargent小組、武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)小組，通過電催化二氧化碳還原技術(shù)，開展醋酸的“零碳”制造，期望能將二氧化碳“變魔術(shù)般”地制成衣服、香水等。

 

電催化二氧化碳還原技術(shù)是一種頗具潛力的清潔能源存儲手段，但在電解過程中如何高選擇性、高速地生產(chǎn)單一高附加值產(chǎn)物卻是團(tuán)隊(duì)困惑已久的問題。電解水只獲得氧氣和氫氣，電解二氧化碳卻可以獲得20余種產(chǎn)物。

 

“這項(xiàng)研究的一個難題就是從電解二氧化碳所得到的20余種產(chǎn)物中，精準(zhǔn)得到我們想要的東西。”龐元杰介紹，為了穩(wěn)定醋酸的生成率，研究團(tuán)隊(duì)要解決的首要問題是反應(yīng)裝置的設(shè)計與搭建，其次是催化劑的選擇。

 

利用高壓裝置和催化劑上的創(chuàng)新，該團(tuán)隊(duì)以電催化二氧化碳還原技術(shù)為基礎(chǔ)，采用“兩步法”二氧化碳還原途徑，穩(wěn)定住醋酸反應(yīng)路徑的關(guān)鍵中間基團(tuán)，最終高產(chǎn)率合成了醋酸。

 

直面《自然》給出的研究難題

 

為了穩(wěn)定醋酸反應(yīng)路徑的關(guān)鍵中間基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)“零碳”制備目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)自主發(fā)明了一套高壓三相界面裝置，并在此基礎(chǔ)上開展了一系列研究。

 

“一開始就遇到很多困難。”團(tuán)隊(duì)成員金健告訴記者，這項(xiàng)技術(shù)的前期研究在國外，歸國后龐元杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將設(shè)備從常壓版本升級為高壓版本后，一直重復(fù)不了當(dāng)時的數(shù)據(jù)。大家到處找原因，最后連“實(shí)驗(yàn)樓地線沒有完全接地”之類的問題都摸排了。此外，合適的催化劑選擇也是一個艱難的過程。

 

解決了上述問題，他們終于得到了“限制二碳吸附基團(tuán)構(gòu)象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”這一重要研究成果。其主要原理是使用二氧化碳和水為原料，生成乙酸這種主要產(chǎn)物。

 

實(shí)驗(yàn)成功，團(tuán)隊(duì)成員都很興奮。他們將論文成果投給《科學(xué)》，卻很快被拒稿了。2021年，他們將論文轉(zhuǎn)投《自然》，審稿專家一針見血地提出“實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性不夠”。當(dāng)時，他們的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定時間僅為15個小時。

 

調(diào)整設(shè)備、優(yōu)化催化劑選擇、更加精細(xì)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過一系列努力，他們終于將穩(wěn)定性提升至50小時，再次興沖沖地投稿。然而，富有戲劇性的事又發(fā)生了?！蹲匀弧穼徃鍖＜一匦耪J(rèn)為，50小時還不夠，因?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域科學(xué)家已經(jīng)發(fā)表成果，能夠連續(xù)500小時保持乙酸生成率50%以上。

 

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的競爭對應(yīng)著激烈的國際競爭。繼續(xù)調(diào)整設(shè)備、優(yōu)化催化劑選擇、更加精細(xì)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，終于該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定性突破了200小時。“不要停！”龐元杰叮囑科研人員，“一定要讓設(shè)備繼續(xù)‘跑’下去！”

 

300小時、400小時、500小時！“繼續(xù)！”

 

刷新500小時的世界紀(jì)錄后，團(tuán)隊(duì)成員視實(shí)驗(yàn)設(shè)備為珍寶。為了避免被人為中斷，他們在實(shí)驗(yàn)室門上注明：“正在進(jìn)行重要實(shí)驗(yàn)，懇請暫緩其他實(shí)驗(yàn)。”為了防止大樓保安、保潔等人員誤入，他們貼上告示：“正在進(jìn)行重要實(shí)驗(yàn)，有事電話聯(lián)系，15分鐘內(nèi)必到！”

 

終于，經(jīng)過一段時間的緊張運(yùn)行后，該實(shí)驗(yàn)在“820小時”這一節(jié)點(diǎn)停了下來。

 

龐元杰告訴記者：“停下來的原因不是實(shí)驗(yàn)本身的問題，而是一個柱塞泵濾網(wǎng)堵了。可能柱塞泵的制造廠商也沒想到，居然需要讓泵連續(xù)、高壓運(yùn)轉(zhuǎn)那么久。”

 

在選擇性、能量轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定性上大幅刷新世界紀(jì)錄后，龐元杰團(tuán)隊(duì)終于在2023年春節(jié)前收到了《自然》的接收通知。

 

努力讓二氧化碳得到更廣泛應(yīng)用

 

“我記得很清楚，接到《自然》接收通知那天是臘月二十三，歷經(jīng)4年的煎熬，大家在春節(jié)前終于熬出來了！”龐元杰說，同行認(rèn)可讓他覺得自己多年的堅(jiān)持是對的，沒有辜負(fù)團(tuán)隊(duì)成員的信任。

 

執(zhí)著于這項(xiàng)復(fù)雜研究的金健，此前因?yàn)橐恢睕]有產(chǎn)出顯著成果，已經(jīng)連續(xù)兩次延期出站，“即便耐得住寂寞，卻也掩蓋不住焦慮”。4年、上千個日夜的艱苦研究，終于有所回報。

 

“不僅是醋酸這類羧酸類化學(xué)品，烴類、醇類等重要化學(xué)品也有望實(shí)現(xiàn)‘零碳’制造。”談及未來，龐元杰表示團(tuán)隊(duì)將利用上述技術(shù)，讓二氧化碳在醫(yī)藥、燃料、化工原料的生產(chǎn)過程中得到更廣泛應(yīng)用。

 

他舉例說，比如將太陽能發(fā)電板發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為便于儲存的燃料化學(xué)能，再將燃料化學(xué)能有序釋放，實(shí)時滿足生活和生產(chǎn)的各種用能需求。再比如，選用合適的催化劑進(jìn)行乙醇（酒精）生產(chǎn)，從而擺脫對以農(nóng)作物為原料生產(chǎn)乙醇的依賴，減少土地和糧食的資源消耗。