用二氧化碳能做衣服？制香水？造玩具？这不是梦，而是华中科技大学光电信息学院庞元杰教授团队历时4年的最新研究成果。团队联合多伦多大学E. H. Sargent小组、武汉理工大学麦立强小组，以二氧化碳为原料高效制备醋酸，多项指标打破世界纪录。成果于5月3日在国际权威期刊《自然》发表。
进军：两步还原改变二氧化碳
醋酸，又名乙酸，是一种重要的有机化工原料，大量应用于化纤衣物、香水香氛、塑料加工品等制造过程。
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据了解，传统方法生产醋酸通常是采用化学合成或淀粉发酵法，用这些方法，每生产1千克醋酸会排放约1.6千克二氧化碳。我国作为全世界第一大醋酸生产国，醋酸年产量超过800万吨，生态环境面临巨大压力。
2018年夏，庞元杰教授回国，带着一生所学投入“零碳”制造领域。他介绍，电催化二氧化碳还原技术是极具潜力的清洁能源存储手段，当时国际上有“一步法”“两步法”两种途径，但稳定性和能量转化率都不理想。庞元杰组建国内团队后，选择步骤复杂但前景光明的“两步法”：先将二氧化碳转化为一氧化碳，再将一氧化碳升级还原，并开始攻坚乙酸的“零碳”合成。
首先要“搭厂房”（高压强三相界面反应装置），让二氧化碳在其中“变身”。“厂房”不好搭，得把以前的常压升级为高压，花了将近一年时间，团队博士后金健终于做出雏形。
其次是选择催化剂。铜基催化剂是二氧化碳电催化还原反应中效率最高的催化剂之一，但为了专门合成乙酸，团队必须选择含铜较低的催化剂。如何发挥其最大效果，团队选择将铜分散在金、银、镍三种金属中，反复实验，观察出银与铜结合反应最高效。
在“厂房”的高气压条件下，气液平衡，通道顺畅，碳原子们“手拉手站起来”，完成碳-碳偶联步骤，最终高产率合成乙酸。
决战：一气呵成冲上八百小时
从2018年9月项目启动，年轻的团队成员和老师庞元杰就泡在了实验室。
二氧化碳转化“厂房”能连续运行多久？这是稳定性的重要体现。从50小时开始，他们一步步往上提升。那段时间，庞元杰将团队微信群名改为“决战！！200小时”，誓达目标。“当时我们把其它实验都停了，不允许外人进入实验室，全力攻关，没想到那一次，指针冲上200小时还不停，一直冲，一直冲，直到停在了820小时，我们激动万分……”
此前，他们有着向《自然》投稿被要求“返修”的痛苦，有着无数次实验的停滞，但在那一刻，都化作历经千辛万苦后的喜悦。当稳定性测试在2022年年底完成，那个春节也成为他们最开心的春节。
不懈：终于找到“消失”的乙酸
电解后，产物分解检测出现了奇怪的现象：所有产物加起来不到100%，有一小部分不见了。它们去哪儿了？团队不放过这个细节，排除种种，终于找回“消失”的那部分，原来，乙酸是透过渗透膜“跑”到了阳极。及时更换渗透膜，就能避免日后的乙酸“消失”。庞元杰说，科学精神的关键是创新，也是不放过每个细节的严谨。
历时4年，庞元杰团队研究成果“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”显示，该实验使用一氧化碳和水为原料，生成乙酸这一种主要产物，并能够连续820小时保持乙酸生成率80%以上，在选择性、能量转化效率、稳定性上打破了现有世界纪录。
研究成果于5月3日在《自然》发表。华中科技大学光电信息学院博士后金健、博士生闵秋红，多伦多大学的Josh Wicks和上海交通大学的李俊教授为论文第一作者。庞元杰教授、多伦多大学E. H. Sargent教授、武汉理工大学麦立强教授为论文通讯作者。
庞元杰介绍，技术可行性分析报告显示，这一成果在同类技术中性能最高、成本最低。
利用该技术，不仅是醋酸这类羧酸类化学品，烃类、醇类等重要化学品也有望实现“零碳”制造，让二氧化碳在医药、燃料、化工原料的生产过程中得到更广泛的应用。该技术可以将太阳能发电板发出的电能转换为便于储存的燃料化学能，再将燃料化学能有序释放，实时满足生活和生产的各种用能需求。选用合适的催化剂还可以进行乙醇（酒精）的生产，从而摆脱对以农作物为原料生产乙醇的依赖，减少对土地和粮食的资源消耗，使乙醇能够更大范围地应用于清洁能源。
“下一步，我们要冲击1万小时！那到时，工业应用指日可待。”庞元杰充满信心。
（湖北日报全媒记者 方琳 通讯员 高翔 刘雪茹 范千）
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