文献分享 | 破世界纪录！华科大研究团队实现醋酸“零碳”制造！

近日，华中科技大学光电信息学院的庞元杰教授团队，联合多伦多大学、武汉理工大学等高校科研人员，通过电催化二氧化碳还原技术，实现了醋酸“零碳”制造。相关成果已在国际著名学术期刊Nature发表。

原文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05918-8

该研究历时4年。研究成果显示，该实验使用二氧化碳和水为原料，生成醋酸这一种主要产物，并能够连续820小时保持醋酸生成率80%以上，在选择性、能量转化效率、稳定性上都打破了现有世界纪录。

醋酸，又名乙酸，是一种重要的有机化工原料，可用于制造化纤衣物、香水香氛、塑料加工品等。目前，醋酸的生产方式通常是化学合成或淀粉发酵法，以目前的方法，每生产1千克醋酸会排放约1.6千克二氧化碳。我国作为世界最大的醋酸生产国，醋酸年产量超过800万吨，给生态环境带来了巨大压力。

“十四五”是实现碳达峰关键期、推进碳中和起步期，“十四五”期间要完成碳达峰任务的60%，争取在2028年实现碳达峰，为碳中和打好基础。从资源、能源发展战略的角度来看，利用可再生电能，通过二氧化碳催化电解手段，将二氧化碳转化为高附加值的碳基燃料或化学品，对于保护环境和推动社会与经济可持续发展具有巨大而深远的战略意义。

据庞元杰介绍：“为了稳定醋酸的生成率，我们要解决的首要问题是反应装置的设计与搭建，其次是催化剂的选择。”庞元杰表示，电催化二氧化碳还原技术是一种极具潜力的清洁能源存储手段。但是在电解过程中，如何高选择性、高速地生产单一高附加值产物却令研究团队困扰已久。利用高压装置和催化剂上的创新，团队以电催化二氧化碳还原技术为基础，采用“两步法”二氧化碳还原途径，稳定住醋酸反应路径的关键中间基团，最终高产率合成了醋酸。“这项研究的一个难题就是在电解二氧化碳得到的20余种产物中，精准得到我们想要的东西。”

“一开始就遇到很多困难。”团队成员金健表示，因为这项技术的前期研究在国外，归国后庞元杰教授带领团队自主研发实验设备，当设备从常压版本升级为高压版本后，一直重复不了当时的数据。为了稳定醋酸反应路径的关键中间基团，实现零碳制备目标，该团队还发明了一套高压三相界面装置，并在此基础上开展了一系列研究。

近年来，科学家已经开发了多种途径将二氧化碳转化为乙醇，比如光催化、电催化以及间歇釜热催化。相较于上述技术途径，在连续流固定床反应器中，由于便捷的物质流和能量流管理，更容易实现工业应用。但目前的技术无法实现可控精准增碳定向生成乙醇，易产生大量低价值的副产物。

研究团队现场操作高压强反应装置（图源：中国科学报）

而本次研究团队的成果，却实现了这方面的突破：“不仅是醋酸这类羧酸类化学品，烃类、醇类等重要化学品也有望实现‘零碳’制造。”谈及未来，庞元杰表示该团队将利用上述技术，让二氧化碳在医药、燃料、化工原料的生产过程中得到更广泛的应用。

他举例道：“比如将太阳能发电板发出的电能转换为便于储存的燃料化学能，再将燃料化学能有序释放，实时满足生活和生产的各种用能需求。再比如，选用合适的催化剂进行乙醇（酒精）的生产，从而摆脱对以农作物为原料生产乙醇的依赖，减少对土地和粮食的资源消耗，使乙醇能够更大范围地应用于清洁能源。”