在 H.E.L，我们对自己开发和制造的科学仪器及软件的性能了如指掌，也能分享大量关于它们如何优化实验室层面效率、安全性和生产力的信息。但和您一样，我们也深知，这些创新目前为现实科研质量带来的改变，才是其最令人振奋的特点之一。
正因如此，由 Amanda Morris 博士领导的弗吉尼亚理工大学 (Virginia Tech) 化学团队的工作令我们深感振奋。他们正在将我们的高压催化系统 DigiCAT，应用于创新的人工光合作用技术，将捕集的 CO2 转化为可替代塑料和燃料的可行产品。感谢他们让我们深入了解催化技术在他们手中所取得的成果。
- 催化剂可能带来惊喜
- 表征这些混合材料
- 人工光合作用与自然光合作用
- 寻找合适的解决方案
- 催化技术助力更绿色的地球
催化剂可能带来惊喜
当试图将过量的温室气体 CO2 转化为其他资源时，其分子稳定性构成了障碍。要解决这一问题，需要一种能够使其更容易、更经济地转化为其他有用化学品的催化剂。然而，这似乎说起来容易做起来难。现实情况是，分解 CO2 需要消耗大量能量。
出人意料的是，CO2 还原最高效的催化剂是金属铜。催化剂的一个典型特征是必须经得起反复使用，其“转换数”应尽可能高。转换数的定义是：当底物使酶饱和时，酶的活性位点能够转化的底物分子数。工业催化剂的转换数需要达到数百万才具有经济可行性。Morris 博士的团队正在研究以分子结构取代金属铜的改进型催化剂，但目前的转换数仅为数十。尽管这一方面尚不完美，但该催化剂的其他优势使团队认为其效果足以值得继续研究。
表征这些混合材料
再回到金属铜：尽管它是 CO2 还原中能效很高的催化剂，但铜没有选择性，会在混合物中生成多达 32 种产物，由此带来分离和纯化这些产物的极大工程难题。而 Morris 博士的分子方法使其团队能够选择性地得到单一产物，尽管目前转换数仍较低。
整个催化领域面临的挑战之一，是难以在催化反应过程中表征表面化学。反应发生在催化剂表面，在生成产物之前可能涉及多个中间体。能够探测表面分子化学的科学技术很少，而且表面是一个复杂的环境。金属铜的表面是非均匀的：构成表面的原子与铜本体的键合方式各不相同，这意味着它们参与催化的可及性不同，并可能提供不同的催化路径。在原子层面上，研究人员需要充分了解包括铜在内的许多多相催化剂在 CO2 还原中的作用机理。这意味着新的催化剂配方必须经过试验，而不能仅仅在纸面上设计。
多相催化剂由负载在载体（通常为氧化物）上的催化剂纳米颗粒（通常为金属）组成。由于所有催化作用都发生在表面，纳米颗粒尺寸小，具有理想的比表面积，可用于最大化催化剂组分的表面积。载体将纳米颗粒固定在原位，有助于实现高转换数。Morris 博士团队使用的金属有机框架 (M.O.F.s) 是纳米颗粒-载体结构在分子层面的对应物：铜纳米颗粒被由有机连接体（配体）相连的铜原子节点所取代，这些配体起到载体的作用。这些催化配体形成扩展的三维固态聚合物结构或合成“抓手”，从而提高催化效能并改善能量特性。此外，非常重要的一点是，M.O.F.s 可以通过离心从溶液中分离出来。这些 M.O.F.s 的存在增强了铜作为分子催化剂的效果，兼具稳定性和选择性。
人工光合作用与自然光合作用
在人工光合作用过程中，M.O.F.s 还为团队解析自然界与 CO2 的关系提供了极大帮助（相关工作请阅读我们的专题博客文章），其目标是将这种气体重新用于创新燃料的生产。植物能够从水中获取电子，这些电子随后用于还原 CO2，使植物既能形成短期能量储备，又能合成用于长期储能和构成结构组分的糖类和淀粉。对人类来说幸运的是，氧气是这一过程的副产物。
在实验室中通过移除电子来氧化水时，分子催化剂通常在约 30 分钟后失效。相比之下，M.O.F. 催化剂已能将测试持续进行六个小时，团队认为还有可能更长。
目前有许多催化剂能够通过多种化学过程生成非常有用的一氧化碳气体。从二氧化碳 (CO2) 中移除一个氧原子生成一氧化碳 (CO)，这正是植物光合作用所做的事情。随后，CO 在细胞中转化为其他化合物，通常是碳水化合物。然而，使用这些催化剂的问题在于选择性和效率——如何以合适的效率和纯度得到所需产物？Morris 博士预计，与其依靠单一化合物复制光合作用，更可能需要多种催化剂的组合，每种催化剂承担整个过程中的一个特定环节。巧合的是，这与植物通过一系列蛋白质进行光合作用的方式类似。采用这种混合催化剂的方法，有可能以人工光合作用为起点生产出一系列更高价值的化合物。
寻找合适的解决方案
关于人工光合作用的理想溶液，科学界存在许多推测。对于该团队而言，水仍然是最受青睐的选择，并结合调节 pH 值来获得一系列可能的结果。在碱性 pH 条件下，水的氧化要容易得多；若调至酸性条件，则更容易还原 CO2，但问题是还会引入额外的副反应。因此，团队倾向于一开始就使用纯水，而不是之后再将体系酸化或碱化。这样可以先确认某个方法是否可行，再考虑溶液条件。
在常压下，CO2 在水中的溶解度很低，所得溶液中的 CO2 含量非常低。为解决这一问题，团队常使用加压体系来提高溶解的 CO2 量。通常优选室温或尽可能低的温度，最高升温保持在 60 oC 左右。在所有温度下，都需要密切监控压力条件。
催化技术助力更绿色的地球
使用催化剂还原 CO2 前景广阔，但目前每前进一步都来之不易。科学界期待有朝一日催化剂能将所有这些阶段合并为一步完成。在实现这一目标之前，研究人员已经能够将它们结合在级联催化体系中，以获得更优的最终产物。在这种体系中，一种催化剂发生反应后，可与另一种甚至第三种催化剂衔接，形成连贯的反应链。难点在于并非所有催化剂都能在相同条件下工作，因此如何将它们统一起来是关键问题。
希望您喜欢本文对 Amanda Morris 博士（化学系副主任、化学教授及 Patricia Caldwell 教职研究员）及其团队在弗吉尼亚理工大学 (Virginia Tech) 开展的高压催化研究的介绍。更多详情，请收听我们 Modern Chemistry 播客的第 17 集。
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您也可以访问Amanda 在弗吉尼亚理工大学的实验室主页，这是了解更多信息的绝佳起点。
另外，请务必阅读我们的博客文章《胜过天然？实验室光合作用预示新一轮燃料革命》，相信您也会感兴趣。