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2016年1月7日，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家实验室谢毅教授及孙永福特任教授课题组在《自然》杂志发表了“杂化二维超薄结构电催化还原二氧化碳”的研究成果，为二氧化碳催化转化成液体燃料提供了一种新的方案。
过去二氧化碳活化需要大量能源
进入本世纪以来，工业化进程中二氧化碳等温室气体的大量排放，致使全球变暖的速度逐步加快；另一方面，不可再生化石燃料的大量消耗，敲响了全球能源危机的警钟。为应对这两大严峻威胁，近年来，科学家们一直在寻求各种能够实际应用的技术，将化石燃料燃烧释放二氧化碳的过程逆向，既能减少二氧化碳的排放，也能缓解一些能源短缺。
“二氧化碳的催化转化有光催化、电催化、光电催化和加氢气整合等多种途径，我们课题组的这个工作只是电催化还原二氧化碳的一些机理研究，而非追求性能。”昨天，谢毅接受记者电话采访时表示，电催化还原过程可将二氧化碳还原成各种碳氢燃料分子，获得甲烷、甲酸、甲醇等燃料。但二氧化碳非常稳定，电还原二氧化碳过程的一个瓶颈就是如何将高稳定性的二氧化碳活化，这往往需要非常高的过电位；而过电位的存在不仅浪费大量的能源，还往往导致还原产物选择性地降低。
一般而言，贵金属制备的催化剂具有较高的催化活性，但价格高昂严重限制了其大规模应用。为此，科学家们都在寻找各种相对廉价的金属催化剂。
超薄结构和金属氧化物共存更有利
过往研究显示，通过金属氧化物还原得到的金属催化剂比通过其它方法制备的金属催化活性要高，甚至能将二氧化碳还原电位降低到热力学的最小值。“但是，一直都没有搞清楚为什么这些表面金属氧化物能提高电催化性能，这主要是因为以前制备的催化剂中含有大量的微结构，如界面、缺陷等，这些微结构的存在很容易掩盖住表面金属氧化物对其自身金属催化性能的影响，各种组分的作用不容易判断清楚。”谢毅说。
为此，课题组构建了一种杂化模型材料体系，即数原子层厚的金属和金属氧化物杂化超薄结构，它的特点是模型清晰、材料超薄和表面活性原子多。研究发现，局限在超薄结构中的表面钴原子，比块材中的表面钴原子在低的过电位下具有更高的本征催化活性和更高的产物选择性，钴原子层的部分氧化进一步增加了其本征催化活性。
“也就是说，金属原子在位于特定的排列方法和氧化价态时，可能具有更高的催化转化活性，即超薄二维结构和金属氧化物的存在提高了催化还原二氧化碳的能力。”谢毅说。
不过，将二氧化碳“清洁”转化为碳氢能源并不是一蹴而就的，实用化仍有很长的路要走。谢毅说，目前国际上很多学者都在做二氧化碳的催化转化研究，但现在的研究都还处于纯基础研究阶段。谢毅还表示，二氧化碳的实际应用，除了催化转化这一过程之外还有很多困难要解决，包括转化前空气中的二氧化碳需要捕获和富集，以及转化后产物的分离等，这些都还存在许多技术壁垒。
