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 內(nèi)容概要：
      目前人們正在探索如何更好地將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)物質(zhì)，科學(xué)家們研究表明，單一的鎳原子可作為一種高效、低成本的催化劑來使用。

圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

上圖為布魯克海文的科學(xué)家們在NSLS-II beamline 8-ID中拍攝的照片，他們使用超高亮度的X射線來“觀察”新催化材料的化學(xué)復(fù)雜性。圖中從左到右分別是Klaus Attenkofer，Dong Su，Sooyeon Hwang和Eli Stavitski。

      想象一下，如果CO2可以很容易地轉(zhuǎn)換成可用能源的話。那么當(dāng)我們每次呼吸或駕駛汽車時(shí)，我們所排放的氣體將是一種產(chǎn)生燃料的關(guān)鍵成分，而不是被大眾稱之為廢氣。類似于植物中的光合作用一樣，科學(xué)家一直致力于將CO2轉(zhuǎn)化為對日常生活至關(guān)重要的分子。現(xiàn)在，對于將CO2轉(zhuǎn)換成可用能源的技術(shù)，科學(xué)家們又向前邁進(jìn)了一步。

    據(jù)悉， 美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員作為這項(xiàng)科學(xué)合作研究的一部分，他們開發(fā)出了一種新型電催化劑，可將CO2有效轉(zhuǎn)化為高能量分子——CO。他們的這一科研成果于2月1日發(fā)表在了《Energy & Environmental Science》雜志上。

      “使用CO的方法有很多，” 布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家兼論文作者Eli Stavitski說。“例如我們可以將CO和水反應(yīng)生產(chǎn)高能量的氫氣，也可以用氫氣與CO生產(chǎn)出有用的化學(xué)物質(zhì)，如碳?xì)浠衔锘虼碱悺Ｈ绻幸环N可持續(xù)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的途徑將CO2轉(zhuǎn)化為CO，它將會(huì)大大的造福整個(gè)社會(huì)。”

      科學(xué)家們一直在尋求一種將CO2轉(zhuǎn)化為CO的方法，但傳統(tǒng)的電催化劑并不能有效地引發(fā)反應(yīng)。這是因?yàn)樵诨瘜W(xué)反應(yīng)過程中，氫氣析出反應(yīng)（HER）亦或名為“水分解”的競爭反應(yīng)優(yōu)先于CO2轉(zhuǎn)化為CO的反應(yīng)。

      一些貴金屬，如金和鉑，可避免氫氣析出反應(yīng)（HER）的發(fā)生并將CO 2轉(zhuǎn)化為CO；然而，這些金屬相對較少且成本太高，從成本方面考慮，其并不是很適合做常用的催化劑。因此，科學(xué)家們正在尋求一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式科學(xué)的將CO2轉(zhuǎn)化為CO，為此他們開發(fā)出了一種全新的催化劑。他們使用單個(gè)鎳原子來代替貴金屬納米粒子作為催化劑。

      哈佛大學(xué)Rowland研究所的研究員兼論文的相關(guān)作者Haotian Wang在論文中表示：“金屬鎳能夠成為一種前景光明的催化劑，其中一個(gè)原因是它能很好地抑制氫氣析出反應(yīng)（HER），并顯著降低CO2的選擇性；另一個(gè)原因是因?yàn)槿绻蠧O分子產(chǎn)生，鎳表面就很容易被CO所污染。”

      然而，單原子的鎳卻產(chǎn)生了不同的催化效果。

      布魯克海文科學(xué)家，也是該論文的共同作者之一Klaus Attenkofer補(bǔ)充說：“在金屬表面具有一種能量潛能，它是均勻的；而在單個(gè)原子上，表面上的每處的能量卻是不同的。”

      除了單原子獨(dú)特的能量特性之外，CO2的轉(zhuǎn)化反應(yīng)還有鎳原子與周圍石墨烯片的相互促進(jìn)作用。將原子固定在石墨烯片上，使科學(xué)家能夠調(diào)整催化劑并抑制氫氣析出反應(yīng)的進(jìn)行（HER）。

      為了更仔細(xì)地研究原子級薄層石墨烯片層中的各個(gè)鎳原子，科學(xué)家們在美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的Brookhaven功能納米材料中心（CFN）使用掃描透射電子顯微鏡（STEM）。通過電子探針在樣品上掃描，科學(xué)家們能夠在石墨烯上觀察到離散的鎳原子。

      “我們先進(jìn)的透射電子顯微鏡是一種獨(dú)特的工具，可以看到物質(zhì)極其微小的特征，例如單原子。”CFN的科學(xué)家兼該論文的共同作者Sooyeon Hwang說。

      Dong Su，CFN的科學(xué)家和論文的共同作者說：“單原子通常是不穩(wěn)定的，并傾向于聚集在支撐物上。但是，我們研究發(fā)現(xiàn)作為催化劑的各個(gè)鎳原子是均勻分布的，這就解釋了轉(zhuǎn)換反應(yīng)為何具有如此的優(yōu)異性能。”

      為了分析材料的化學(xué)復(fù)雜性，科學(xué)家們在國家同步輻射光源II（NSLS-II）上使用了束線8-ID，這也是美國能源部在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。NSLS-II上的超高亮度X射線光使科學(xué)家們能夠“看到”材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖。

      “光子或光的粒子與鎳原子中的電子相互作用，主要做兩件事，” Stavitski說。“他們把電子發(fā)送到更高的能量狀態(tài)，通過映射這些能量狀態(tài)，我們可以了解材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)狀態(tài)。當(dāng)我們增加光子的能量時(shí)，它們將電子從原子中踢出去，并與相鄰的元素相互作用。實(shí)質(zhì)上，這為科學(xué)家們提供了鎳原子局部結(jié)構(gòu)的圖像。

       根據(jù)哈佛大學(xué)，NSLS-II，CFN和其他研究機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)單個(gè)鎳原子催化CO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)的效率最高可達(dá)97％。科學(xué)家們表示，這是向可再生能源和化學(xué)品回收CO2邁出的重要一步。

      “為了將這種技術(shù)應(yīng)用到未來的實(shí)際應(yīng)用中，我們目前的目標(biāo)是以便宜和大規(guī)模的方式來生產(chǎn)這種單鎳原子催化劑，同時(shí)改善其性能并保持其效率。” Wang說。