华东理工校友实现二氧化碳高选性还原为多碳产物
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麻省理工科技评论-华东理工校友实现二氧化碳高选性还原为多碳产物
近日，华东理工大学校友张天宇在 Nature Catalysis 上发表了题为《分段式串联催化电极原位管理一氧化碳，实现二氧化碳高选择性还原为多碳产物》（Highly selective and productive reduction of carbon dioxide to multicarbon products via in situ CO management using segmented tandem electrodes）的论文 [1]。
该研究的背景在于，二氧化碳还原的产物比较复杂，很难实现对单一产物的高选择性。在此次论文发表之前，人们已经发现乙烯或乙醇等多碳产物，比较依赖电极表面一氧化碳的覆盖率，而一氧化碳则是二氧化碳还原的一个中间产物。
很多人尝试通过调控一氧化碳的覆盖率，对多碳产物进行选择性的间接调控。其中会涉及到分步反应，该反应也叫串联反应。具体来说，要先用一种催化剂将二氧化碳更快速地还原成一氧化碳，再用第二种催化剂将一氧化碳还原成多碳产物。该方法能间接地提高一氧化碳的覆盖率，从而提高催化剂对 C2 产物的选择性。
张天宇的研究正是沿用串联反应的概念，在运用串联反应的时候，大部分研究者采用的方法都很复杂：一方面得在催化剂的合成上引入两种催化剂，而催化剂的合成方法往往比较复杂；另一方面要使用多个反应器，将其联合起来，一个反应器负责第一步反应，一个反应器负责第二步反应。
这些方法都有各种缺点，而在催化剂层面实现串联反应，会导致催化剂的成本相对较高，微观控制则会进一步拉高成本，在长期稳定性上也没有较多数据予以支撑。此外，采用两个反应器也会提高反应成本。
而张天宇在电极层面将两种反应联合一起，即位于催化剂和反应器的中间层面，这样就能像两个反应器一样实现反应的分步进行。同时，他把电极进行分断，如此一来则可省去额外的反应器。
相比合成新的催化剂，这种调控十分简单：无需复杂、精密的催化剂合成过程，只需采用商业催化剂，将它们做成两段电极。由于是一个宏观过程，所以很容易控制。
据他介绍，相比在催化剂层面做控制，在电极层面上实现分段反应，能更好地控制一氧化碳的浓度。因为这相当于把原本分散到每个催化剂上的第一步反应集中到一起，在瞬间提高一氧化碳浓度，因此在电极的前半段会有出现高于平均的一氧化碳的浓度，这会让一氧化的覆盖率更高。
“在这项研究中，电极的特点在于每一个部位上的反应不是平均的，但是整体性能比平时采用的电极要好的多。”张天宇表示。
对于该成果审稿人认为，首先，在性能上是一流的；同时，由于并未使用任何复杂催化剂，只是采用最普通的商业催化剂，这让成本变得极低，如果采用更好的催化剂，性能还会更高；其次，设计结构简单，重复性很好。所有步骤都很简单，利于他人进行重复，原理也很清浅即将课本上最普通的知识用于二氧化碳还原领域。哪怕其它领域涉及到相似的反应原理，也可利用这种电极设计对化学反应进行提升。
“这基本见证了我博士的全部过程”
该项目始于 2018 年初，那时张天宇并没有想到这种电极结构。做实验时，他发现在电极层面上将反应串联起来是可行的，但是当时的性能与现在发表的成果差距比较大。
在开始研究的第一年，他设计出一种层状电极，层状电极是在纵向厚度上进行分层，而分段电极是在区间上进行横向分区。层状电极做出来之后，性能并不是特别突出。
期间，张天宇也投过两篇论文，投稿时多次被拒，最后发表在不是很理想的期刊上。过程中，他也在反思，是不是方案太过于不常规？或者性能不够出色？他说：“总的来说，前期实验不太顺利，耗时大概一年半，发表了两篇论文，人也比较灰心。”
后来，为进一步提升性能，他在想分区是不是比分层会好一点？这一想法也是此次 Nature 子刊论文的核心思想。
其表示：“最初发现这一点后我很惊喜，决定弄清楚具体原因。中间又发现了很多此前没有想到的改进策略，从而获得了新动力。由于疫情原因，一直到2021年底，论文才被接收，这基本见证了我博士的全部过程。”
可用于将二氧化碳转化为乙烯
该成果的第一个潜在应用，在于将二氧化碳转化为乙烯，这一反应也是串联反应的必要步骤。目前，张天宇已经毕业并加入 Giner, Inc. 公司做研发，其工作方向也是将二氧化碳转化为乙烯，因此他也希望将该技术用于工业。
他说：“一项技术从论文发表、到工业应用存在一定距离，对于二氧化碳转化乙烯来说，它俩之间的距离不仅仅受二氧化碳到乙烯转化技术的限制，而是整个二氧化碳还原的过程中，还有很多其他环节受到限制。如果其它环节同样有突破，这项技术的应用会很容易，因为它原理简单、即拿即用。至于别的应用场景，则可能会涉及电化学有机合成。”
事实上，在他读博期间就和目前就职的公司有所合作。当时，他们一起参与美国能源部的项目，其当时就读的高校负责基础性研究，这家公司则负责将项目扩大化以投入实用。毕业后，他进入该公司负责同样的项目，目前所做工作的一部分内容正是将技术进行工业化转化，此外还负责解决二氧化碳还原中其他环节的问题。
他说，电化学电解水制氢的技术和二氧化碳还原非常相关，甚至二氧化碳还原的反应器的一半以上可直接借用新能源电解水制氢的反应器，只需稍加改动就能融合二氧化碳相关过程。而二氧化碳还原，也将成为碳中和相关技术中很有重量级的技术，很有潜力成为下一个热点。
很多人都曾问过张天宇，为何博士毕业后来到业界。他说：“我不是没有想过去高校做科研，来到业界也并非中断了科研。我进入业界的主要目的是为了进一步学习电化学反应器的整个系统。博士毕业后我也找过博后职位，都是比较偏向于整体系统的实验室岗位。”
他认为，虽然自己在做二氧化碳还原的研究，但是二氧化碳还原只是反应器的一个环节，要想深入了解其他环节，就需要从整体出发，而高校在这方面的岗位相对较少。
与此同时他认为：“这几年我在发论文上，可能会受到一定影响。不过我觉得事在人为，公司并不禁止员工发表论文，是鼓励员工找高校老师或实验室进行合作的。我现在也是这么做的，利用公司的人脉我得以和学术前辈们合作。所以，后期的论文发表并不一定会中断。”
在后续计划上，张天宇正研究将技术用于大型反应器里，也将对性能做以展示。如能用在工业上，就能知道系统性能到底如何、以及能达到多长时间的稳定性。要知道，在工业上可能需要实现上万个小时的稳定性，才能知道反应系统的变化，以及在长时间运转下的稳定性。在系统上，二氧化碳还原这块也有更多棘手问题等待解决。事实上，当下的瓶颈不完全是乙烯的选择性和产率，还有很多其它问题等待解决，只有这样才能让技术真正“照进现实”。
-End-
支持：大义
1、Zhang, T., Bui, J.C., Li, Z. et al. Highly selective and productive reduction of carbon dioxide to multicarbon products via in situ CO management using segmented tandem electrodes. Nat Catal 5, 202–211 (2022). https://doi.org/10.1038/s41929-022-00751-0
https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2022/3/20223614192950370717.shtm
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