新型糖基催化剂可以为利用捕获的碳提供潜在的解决方案

一种由廉价、丰富的金属和普通食糖制成的新型催化剂能够消除二氧化碳(CO2)气体。

在西北大学的一项新研究中，该催化剂成功地将CO2转化为一氧化碳(CO)，一氧化碳是生产多种有用化学品的重要组成部分。例如，当反应在氢气存在下发生时，CO2和氢气转化为合成气，这是一种非常有价值的前体，可用于生产可能替代汽油的燃料。

随着碳捕获技术的最新进展，燃烧后碳捕获正在成为帮助应对全球气候变化危机的一个可行选择。但如何处理捕获的碳仍然是一个悬而未决的问题。这种新型催化剂有可能为处理强效温室气体提供一种解决方案，将其转化为更有价值的产品。

这项研究题为“用于高温反向水煤气变换反应的活性、稳定的立方碳化钼催化剂”，发表在《科学》杂志上。

“即使我们现在停止排放CO2，​​由于过去几个世纪的工业活动，我们的大气中仍然存在过剩的CO2，​​”该研究的共同领导者、西北大学的MiladKhoshooei说。

“这个问题没有单一的解决方案。我们需要减少CO2排放，并找到新的方法来降低大气中已有的CO2浓度。我们应该利用所有可能的解决方案。”

“我们并不是第一个将CO2转化为另一种产品的研究小组，”该研究的资深作者、西北大学的OmarK.Farha说。“然而，要使该过程真正实用，就需要一种满足几个关键标准的催化剂：经济性、稳定性、易于生产和可扩展性。平衡这四个要素是关键。幸运的是，我们的材料能够很好地满足这些要求。”

Farha是碳捕获技术方面的专家，是西北大学温伯格艺术与科学学院的CharlesE.和EmmaH.Morrison化学教授。作为博士开始这项工作后。Khoshooei是加拿大卡尔加里大学的候选人，现在是Farha实验室的博士后研究员。

来自食品储藏室的解决方案

新催化剂背后的秘密是碳化钼，一种极其坚硬的陶瓷材料。与许多其他需要昂贵金属(例如铂或钯)的催化剂不同，钼是一种廉价、非贵重、地球储量丰富的金属。

为了将钼转化为碳化钼，科学家们需要碳源。他们在一个意想不到的地方发现了一个便宜的选择：食品储藏室。令人惊讶的是，糖——几乎每个家庭都有的白色颗粒状糖——是一种廉价、方便的碳原子来源。

“每天，当我尝试合成这些材料时，我都会从家里带糖到实验室，”Khoshooei说。“与常用的催化剂材料相比，我们的材料非常便宜。”

成功选择性且稳定

在测试催化剂时，Farha、Khoshooei和他们的合作者对其成功印象深刻。该催化剂在环境压力和高温(300-600摄氏度)下运行，以100%的选择性将CO2转化为CO。

高选择性意味着催化剂仅作用于CO2而不破坏周围材料。换句话说，工业界可以将催化剂应用于大量捕获的气体并选择性地仅针对CO2。随着时间的推移，催化剂也保持稳定，这意味着它保持活性并且不会降解。

“在化学中，催化剂在几个小时后失去选择性的情况并不罕见，”法哈说。“但是，在恶劣条件下经过500小时后，其选择性并没有改变。”

这一点尤其引人注目，因为CO2是一种稳定且顽固的分子。

“转化CO2并不容易，”Khoshooei说。“CO2是一种化学稳定的分子，我们必须克服这种稳定性，这需要大量的能量。”

碳净化的串联方法

开发碳捕获材料是Farha实验室的主要关注点。他的团队开发了金属有机框架(MOF)，这是一类高度多孔的纳米材料，Farha将其比作“复杂且可编程的沐浴海绵”。Farha探索MOF的多种应用，包括直接从空气中提取CO2。

Farha表示，MOF和新型催化剂现在可以共同发挥作用，在碳捕获和封存方面发挥作用。

“在某个时候，我们可以使用MOF来捕获CO2，​​然后使用催化剂将其转化为更有益的东西，”Farha建议。“利用两种不同材料进行两个连续步骤的串联系统可能是前进的方向。”

“这可以帮助我们回答这个问题：‘我们如何处理捕获的CO2?’”Khoshooei补充道。

“目前的计划是将其封存在地下。但是地下水库必须满足许多要求，才能安全、永久地储存CO2。我们希望设计一种更通用的解决方案，可以在任何地方使用，同时增加经济价值。”