從二氧化碳中得到可再生乙醇

美國的大部分汽車和卡車所使用的燃料是由90％汽油和10%由玉米發酵得到的可再生乙醇組成的混合燃料。但是，每年用於運輸業需要140億加侖的乙醇，而得到這種可再生乙醇則需要數百萬英畝的農田。

來自斯坦福大學最近的研究表明，科學家發現了一種不需要玉米或其他作物，可以持續得到乙醇的方法。這項十分有應用前景的技術包括三個基本組成部分：水，二氧化碳和通過銅催化劑輸送的電力。相關研究結果發表在美國國家科學院學報（PNAS）上。

首席研究員來自斯坦福大學化學工程學院的副教授Thomas Jaramillo表示：「我們的長期目標之一是在不影響全球糧食供應的方式的前提下生產可再生乙醇。」

科學家們想要通過設計銅催化劑進行有選擇性地將二氧化碳轉化為更高價值的化學品和燃料，如乙醇和丙醇，這一過程很少或沒有副產物產生。但首先，他們需要清楚地了解這些催化劑是如何工作的。

銅晶體

PNAS研究表明，斯坦福大學研究團隊選擇了三種不同的結晶銅樣品，命名為銅（100），銅（111）和銅（751）。研究者使用這些數字來描述銅單晶的表面幾何形狀。

「銅（100），銅（111）和銅（751）看起來幾乎是相同的，但在其表面上的原子排列方式有很大的差異，」來自SLAC的研究者Christopher Hahn表示，「我們工作的本質就是了解表面幾何形狀不同的銅如何影響電催化性能。」

在之前的研究中，科學家們已經製造了尺寸僅為1平方毫米的單晶銅電極。

「有了這麼小的晶體，很難確定和量化表面上產生的分子，」 Hahn解釋說。「這導致了解化學反應的困難，所以我們的目標是製造具有較大的單晶表面質量的銅電極。

為了得到更大的樣品，Hahn和他在SLAC的同事共同開發了一種新穎的方式，通過這一方式可以在硅晶片和藍寶石的大晶圓之上生長出單晶狀銅並成功在六平方厘米的表面得到比一般單晶大600倍的銅（100），銅（111）和銅（751）薄膜。

催化性能

為了比較電催化性能，研究人員將三個大電極置於水中，將其暴露於二氧化碳氣體中並接通電流。

結果表明，當施加特定電壓時，由銅（751）製成的電極得到的液體產物（例如乙醇和丙醇）比由銅（100）或銅（111）製成的電極具有更大的選擇性。這可能是由於在銅原子表面上三種不同的排列方式。

在銅（100）和銅（111）的表面上，其原子緊密堆疊在一起，分別呈方格狀和蜂窩狀。銅表面的原子排列的愈緊密，使得表面的惰性增強。而在銅（751）中的情況則不同，表面上的原子相隔更遠，更易與反應物，如二氧化碳，結合反應得到乙醇和丙醇。

表面不同原子排列的銅（100），銅（111）和銅（751）,【A:銅（100）;B:銅（111）;C:銅（751）；D:銅（751）理想原子模型】（來源：PNAS）

斯坦福大學的團隊最終希望開發出一種能夠進行工業規模化並有選擇地生產燃料和化學物質的技術。以二氧化碳作為原料，通過可再生電力或者直接通過光照，將其轉化為更有價值的產品。

論文鏈接：

http://www.pnas.org/content/114/23/5918

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