宾夕法尼亚州立大学的研究人员称，在将二氧化碳(一种温室气体)转化为甲醇的过程中，已经取得了巨大的进步。
大气二氧化碳浓度正在增加，气候变化正成为全球关注的问题，需要全球努力减少二氧化碳排放。一种方法是用二氧化碳作为碳源与氢反应，氢是用可再生能源从水中产生的，反应合成甲醇。这将有助于减少二氧化碳排放，减轻对化石燃料的依赖。
研究人员通过开发一种新型催化剂，利用钯和铜的特定配方，将二氧化碳转化为甲醇。甲醇由氢、氧、碳四部分组成。该理论和实验工作最近发表在ACS催化上，是与中国大连理工大学联合宾大联合能源研究中心合作进行的多年综合实验和计算研究的结果。宾大-大连合作研究发现了将这两种金属结合为催化剂的好处。
将二氧化碳转化为甲醇的一个关键因素是找到一种好的催化剂，使甲醇能够以高效率的高选择性生产。在钯-铜原子比为0.3 - 0.4的范围内，将钯和铜结合在一起，利用分散在多孔支撑材料上的催化剂纳米颗粒，使甲醇从二氧化碳中得到最有效的转化，增加了催化剂的表面积。使用核桃大小的催化剂，催化剂的内部表面积将覆盖足球场的面积。
研究人员发现，使用这两种金属的精确原子比，新配方使甲醇生成率比钯本身增加了三倍，比铜本身增加了四倍，这比以前的方法有了显著的改进。
研究所把这个过程比作一只猫在触媒上抓老鼠。为了实现转化，你需要二氧化碳——猫——和氢气——老鼠。但是你需要为猫成功地抓住老鼠创造理想的条件。如果猫够不到老鼠，或者环境让它慢下来，猫就不会那么成功。
这是因为，结合两种金属的催化剂不仅可以降低能量需求，加速二氧化碳和氢气的反应，而且还可以改变反应路径，以生产出更理想、更高效的产品。
“传统的研究集中在铜上，但这并不能产生有效的结果，”宋说。钯也是如此。但将钯和铜结合在一起会产生一种独特的表面结构，显示出从二氧化碳中生成甲醇的特殊选择性。这项研究提供了关于将这两种金属结合在一起的协同效应的基本见解。
为了生成甲醇，研究人员将氢气和二氧化碳泵入装有催化剂的反应堆容器的密封室，并将其加热到356到482华氏度之间。二氧化碳到甲醇的最大转化量约为24%，而未转化的二氧化碳和氢气将被循环利用，并在工业环境中返回到容器中，就像用一氧化碳和氢气合成传统甲醇一样。
二氧化碳加氢过程通过分解水，利用可再生能源生成氢气，然后与催化剂表面的二氧化碳结合生成甲醇。宋说，因为他们的催化剂鼓励了高选择性，所以更多的产品会生成甲醇。
甲醇被用来制造许多材料和燃料，从胶粘剂和胶合板底层到水瓶、防皱衬衫和柴油燃料。它也是一种用于制造防冻剂、挡风玻璃清洗液、溶剂和其他产品的化学物质。宋通过宾夕法尼亚州立大学-大连联合能源研究中心，正在积极开发将二氧化碳转化为工业上有用的化学物质、燃料和塑料等材料的新型催化剂。
宋说，利用可再生能源利用二氧化碳高效地制造燃料和工业化学品被认为是应对气候变化的圣杯，因为这些燃料甚至比碳中性或可再生燃料更好。这一过程实质上是将温室气体转化为燃烧时排放二氧化碳的燃料。当这个过程与从环境中捕获的二氧化碳结合在一起时，相当于回收二氧化碳，而不是创造或避免它。
“我们目前的能源系统很大程度上依赖于碳基化石能源，”宋说。“即使是生物量、沼气和有机垃圾等可再生燃料，都是基于碳的。但在未来，碳从何而来?如果我们开始使用二氧化碳中的碳，我们可以回收它，创造一个可持续的碳基能源循环，然后稳定大气中的二氧化碳浓度。这就是为什么我对此充满激情。
