“人工树叶”让二氧化碳变废为宝

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“二氧化碳的分子式就像两个人紧紧握着手一样。这种结构使得二氧化碳分子具有极强的化学惰性。我们要做的是迫使它在相对温和的条件下与其他物质发生反应，并把它变成珍宝。”在天津大学化工学院龚金龙教授看来，如何催化惰性二氧化碳是变废为宝的关键。

三年来，在国家R&D重点项目的支持下，龚金龙团队通过对二氧化碳化学催化转化过程的深入研究，突破了二氧化碳资源化利用面临的高能耗、低效率、低产品附加值的瓶颈问题，为其转化利用技术的大规模推广奠定了科学基础，研究成果处于世界领先水平。

“零排放”转型:最艰难、最高标准的道路

世界上每天都有大量的二氧化碳排放到大气中。资源的高效利用是实现减排的重要途径，也是一个世界性的问题。长期以来，我国使用的常规二氧化碳转化技术需要高温、高压和催化剂，这是不使用能源无法获得的。在中国煤炭能源的背景下，传统技术将导致额外的二氧化碳排放。

“你不能在转化过程中产生新的二氧化碳，否则就会拆东墙补西墙。转换成总分类账是有成本效益的，转换的数量大于排放量。我们的目标是二氧化碳的零排放和净转换。”龚金龙的团队从一开始就选择了最困难、标准最高的道路。

二氧化碳转化的难点在于其分子结构极其稳定，转化需要注入很高的能量，并且二氧化碳转化的路径复杂，导致产物众多，纯度差。因此，转化途径和催化剂的选择极其重要。

龚金龙的团队专注于太阳能。"太阳能是自然界取之不尽的绿色能源."龚金龙说，他们想到了叶子的光合作用。通过光合作用，叶子吸收光能，将二氧化碳和水转化为高能有机物，同时释放氧气。但是叶子的能量转换效率太低，只有0.1%-1%。“我们要制造的催化剂就像一片人造树叶，其能量转换效率是普通树叶的一百倍。”人造树叶利用太阳能，在催化剂的作用下，可以有效地将水和二氧化碳转化为甲醇和甲烷等含碳分子，这些含碳分子可以直接用作燃料。

“人造树叶”在成千上万个实验中的实现

要实现“人造树叶”的理念，就必须建立一种新型的二氧化碳催化转化反应体系，并寻找更高效的催化剂。然而，这项开创性的研究太前沿了。回顾最初的研究，龚金龙感慨地说:“我们的研究完全是从零开始的。”

从0到1的转变是一个极其艰难的过程。首先，没有现成的商业设备来购买实验设备，这取决于研究团队自己的探索、设计和开发。从图纸设计，到材料和工具的选择，到最后的动手安装，都是由研究人员自己完成的。其次，选择哪种催化剂更有效取决于摸索和尝试，而实验失败几乎成了常态。

“虽然没有仔细统计，但可以毫不夸张地说，我们已经进行了数万次实验，失败了，总结了，调整了方案，然后又进行了实验。在那段时间里，我几乎每天都在这个周期中工作。”龚金龙回忆道。

在研发过程中，龚金龙的团队也面临着来自美国和日本同行的激烈竞争。在这种压力和动力下，该团队的研究人员每天都在与时间赛跑。

最后，经过三年多的研究，他们利用太阳能、氢能等绿色能源，实现了二氧化碳在温和条件下的高效转化，开辟了“光电催化二氧化碳还原”和“二氧化碳加氢还原”的新途径，开辟了二氧化碳向液体燃料和高附加值化学品的绿色转化渠道，在二氧化碳向甲醇等烃类燃料的还原方面取得了新的突破。在转化过程中，含碳产品的收率高达92.6%，甲醇的选择性为53.6%，达到世界领先水平。相关研究成果已在应用化学、能源和环境科学等国际著名期刊上发表。

二氧化碳的矿化效率是世界上最高的

在基础研究处于前沿的同时，龚金龙的团队还致力于二氧化碳矿化和转化等实际应用的研究。龚金龙教授幽默地说:“我们的研究不能这么冷漠和没有根据。”

“落地气”的研究针对目前二氧化碳转化工艺经济状况不佳的现状，通过“离子液体协同催化转化”和“非碱性矿物矿化利用”的措施，利用更高效的催化剂制备高附加值的聚碳酸酯和二氧化钛等精细化学品，为二氧化碳矿化转化的工业应用奠定基础。

根据龚金龙的说法，中国每年有2000万吨含钛和铝的高炉渣不能被利用。他们的技术可以在矿化和固定二氧化碳的同时高效回收钛、铝等金属元素，在矿化过程中获得的高纯二氧化钛可以应用于染料生产，实现了高炉渣的充分利用。目前，该技术的二氧化碳矿化效率已达到200公斤/吨(无碱矿石)，为世界最高水平。现在，研究小组正在进行一项扩大实验，通过每年处理300吨含钛高炉渣来制备高纯度二氧化钛。(陈)

编辑:张静文