当全球每年约400亿吨二氧化碳加剧气候危机时，华东师范大学联合多所机构在《Frontiers in Energy》发布的研究，让工业废气变身高价值化学品成为可能。他们开发的铜锌金属间催化剂（Cu/Zn IMCs），在常温电解条件下，将二氧化碳转化为乙烯、乙醇的效率提升至75%，电流密度达40毫安/平方厘米——这相当于用一台微波炉大小的装置，每小时可转化2.5公斤二氧化碳，产出1.8升液态燃料。

“电子接力赛”激活碳链生长
传统铜催化剂如同“单打独斗的工人”，难以高效拼接碳原子。研究团队设计出铜锌原子交替排列的纳米结构，让锌化身“电子传递员”，将二氧化碳分子吸附并运至铜位点，触发碳碳键耦合反应。实验显示，当铜锌摩尔比为100:4.9时，催化剂表面形成原子级“流水线”，乙烯产率较纯铜催化剂提升2.3倍，且副反应产氢率从67%压至25%。

关键技术突破在于梯度电沉积工艺——通过精准调控电解液中铜、锌离子浓度，在碳纸上“打印”出蜂窝状纳米结构。这种设计让催化剂在pH=0的浓硫酸中连续工作8小时，性能衰减仅5%，而传统铜催化剂早已被腐蚀成“蜂窝煤”。更巧妙的是自修复机制：反应中锌与电解液的碘离子结合，形成1纳米保护膜，阻止铜被酸侵蚀。

“分子红娘”破解选择性难题
研究团队通过X射线吸收光谱发现，锌原子会“窃取”铜的电子，使其处于“饥饿状态”，从而更易捕获二氧化碳分子。这种“电子调控”使催化剂优先生产乙烯等高附加值产物，而非甲烷等低价值化学品。动物实验中，该催化剂在模拟工业电流密度下，乙醇产率比现有工艺提高50%，且未检测到有毒副产物。

不过技术仍有“拦路虎”——每公斤催化剂需消耗3.8克铟（全球年产量仅800吨），且制备依赖造价500万美元的分子束外延设备。论文通讯作者韩布兴表示：“我们正开发磁控溅射替代工艺，目标2028年前将成本压缩至每平方米8万元。”

碳中和工厂雏形初现
这项技术已进入中试阶段。据测算，若覆盖长三角地区10%的钢铁厂碳排放，每年可转化1200万吨二氧化碳，生产180万吨乙烯，相当于减少600万吨原油消耗。研究团队透露，正与宝钢合作建设示范装置，利用钢厂余热供电，目标2026年实现日均转化50吨二氧化碳。正如论文所述：“当原子级催化遇见碳中和战略，每一吨废气都在书写能源革命新剧本。”

（论文详见《Frontiers in Energy》2024年第1期；技术图示：铜锌原子协同催化路径与梯度结构电镜图）

来源: FIE能源前沿期刊