美国耶鲁大学开发等离子体系统将CO2转化为航空燃料前体

耶鲁大学（Yale University）研究人员开发出一套将等离子体与电力结合的系统，可把二氧化碳（CO2）转化为甲醇、丁烷等有价值的化学品。相关成果已发表在期刊《自然·催化》（Nature Catalysis）上，项目由该校化学与环境工程助理教授莉亚·温特（Lea Winter）博士主持。

CO2储量丰富，却长期难以被大规模转化为有用的产品。原因在于它是一种高度稳定、惰性很强的分子，没有大量能量输入就很难被转化。电催化被视为一条有前景的路径：借助电力和催化剂驱动化学反应，把CO2变成其他化合物。但单独使用电催化，通常只能得到种类相对有限的一系列简单碳产物。

温特团队的思路是把电催化与等离子体配对使用。等离子体常被称作物质的第四态，位于固体、液体和气体之后，是一种高度激发的气体，其中电子已从原子中剥离，因而含有带电粒子。这些高能电子能在CO2分子抵达电催化剂之前将其激发、削弱其化学键，随后催化剂利用这些活化物种生成不同产物。温特表示，等离子体开辟了电催化自身无法触及的化学路径，用这种方法生成的多碳产物对许多化学工业确实很有用，还可以生产可持续航空燃料的前体化学品，并可用于制造燃料、药物、溶剂以及目前由化石燃料制成的其他化学品。

难点在于耦合方式。等离子体-电化学过程通常依赖水界面，而当等离子体活化CO2气体时，水可能在最具反应性的等离子体物种到达电催化剂之前就将其淬灭并中和。温特坦言，如何有效地将等离子体与催化剂耦合、让等离子体激发的物种真正参与催化反应，一直是难题。

为此，科学家提出一种三相界面，把气相、液相和固相组件结合在一起，同时避免等离子体直接与水相互作用。该系统依赖气体扩散电极，这种膜由与不粘炊具所用的同类材料制成，表面部分涂覆一薄层铜作为电催化剂，其孔隙足够大，可让等离子体粒子穿过并到达电催化剂层，与水中的质子相遇，从而驱动化学反应。

研究人员称，该方法在生成有价值的醇类以及三碳、四碳产物方面，实现了迄今最高的一些产率，这些产物可用于液体燃料、药物和其他有价值的产品。团队下一步将优化催化剂并试验替代材料。该系统在室温和常压下运行，这有可能使其更容易商业化。温特表示，这是一个即开即用的过程，可以根据是否有电力供应随意开启或关闭，也能直接利用间歇性可再生电力运行，因而可能看到对现有工厂进行改造，而不必围绕它新建一整座工厂。