Researchers find new way to make valuable chemicals

为了开发可持续解决人类的能源需求,许多科学家正在研究碳捕获和运用的实践使用过量的二氧化碳在大气中或从点源,代替化石燃料,合成化学物质用于生产日常用品从塑料到燃料药品。

现在,来自加州理工学院特拉华大学和中国的研究人员有了一个新的发现,可以进一步推进碳捕获和利用,并将其前景扩展到新的行业。

在《自然化学》杂志上,加州理工学院的查尔斯·a·戈达德三世和玛丽·费克尔是化学、材料科学和应用物理学教授;特拉华大学(University of Delaware)化学和生物分子工程学副教授冯娇(Feng Jiao)描述了他们如何开发出一种新的方法,在电化学一氧化碳还原反应中生成碳氮键。该反应可用于生产酰胺类化学品,酰胺在包括制药在内的许多行业都很有用。

这个团队是第一个这样做的。特拉华大学催化科学技术中心副主任焦说:“现在,我们可以从二氧化碳作为碳源开始,扩展到多种产品。

在之前的研究中,焦开发了一种特殊的银催化剂,可以将二氧化碳转化为一氧化碳,但他希望进一步将一氧化碳升级为多碳产品。

在美国化学学会(American Chemical Society)的一次会议上,焦与加州理工学院人工光合作用联合中心(Joint Center for Artificial)的首席研究员戈达德(Goddard)分享了他的一些初步发现。

戈达德和JCAP的研究科学家陶成此前曾解释过铜表面如何将二氧化碳转化为甲烷、乙烯和乙醇,但在看到焦的实验之前,他们从未考虑过用铜来制造碳氮键。戈达德和焦教授的团队进行了为期一年的合作,利用量子力学计算来研究各种可能解释实验的场景,并提出新的实验来验证他们的预测。戈达德和程对可能的反应机制进行了计算,焦则在实验室中对其进行了测试,以了解其中的原理。

焦使用的电化学流动反应器通常是由二氧化碳或一氧化碳供能的,但这次他们同时加入了一氧化碳和氨,氨是一种含有氮的化合物。氮源与铜催化剂相互作用,导致碳氮键的形成。这个过程使研究小组能够合成以前从未用这种方法合成过的化学物质。

戈达德说:“既然我们已经了解了这种意想不到的反应背后的机理,我们正在研究形成其他类型化学键的方法,如碳硫键或碳磷键。"Jiao和我现在正在比赛,看谁能找到新的机会来消除空气中的二氧化碳,同时形成其他有价值的含碳材料。无论谁是第一名,我们都将继续合作来理解和提高化学水平

这项工作可能产生深远的影响。

焦教授说:“我认为,这对解决部分二氧化碳排放问题将产生重大影响。现在我们可以利用它作为碳原料来生产高价值的化学品

合著者包括特拉华大学的Matthew Jouny和Byung Hee Ko;南京大学的吕景静和朱俊杰。

这项研究由美国能源部通过JCAP、美国国家科学基金会和中国留学基金委提供资金。

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