美国阿贡国家实验室的研究人员们创造了一种铜催化剂，可帮助捕获并转换二氧化碳，可以最终节省能源。每个催化剂由4铜原子在氧化铝的薄膜上组成一小簇。这些催化剂的工作原理是通过结合二氧化碳分子，以最理想的化学反应的方式排列它们。铜四聚体的结构是这样的，其大多数结合位点是开放的，这意味着它可以更强烈地附着二氧化碳，并且更好地加快转换。图片来源: Larry Curtiss, Argonne National Laboratory。

捕获并转换——这是减少二氧化碳的方法，这个过程可以在温室气体从烟囱和电厂排放进入大气之前阻止温室气体，取而代之的是把它变成一个有用的产品。

一种可能的最终产品就是甲醇，一种液体燃料，这是美国能源部（DOE）阿贡国家实验室最近进行的一项研究的重点。通过二氧化碳生产甲醇的化学反应依赖与催化剂来加速转换，阿贡的科学家发现了一种新的材料可以填补这个角色。由于其独特的结构，这种催化剂可以捕获并转换二氧化碳的方式，最终达到节省能源的目标。

他们称之为铜四聚体。

它由每簇4个铜原子，负载在氧化铝上的薄膜。这些催化剂通过结合二氧化碳分子来工作，以最理想的化学反应的方式排列它们。铜四聚体的结构是这样的，其大多数结合位点是开放的，这意味着它可以更强烈地附着二氧化碳，并且更好地加快转换。

当前的工业流程使用铜来还原二氧化碳为甲醇，催化剂为氧化锌和氧化铝。仅仅将化合物维系在一起就已经占据了若干的结合位点，这限制了可以抓住并保持二氧化碳的原子数。

“使用我们的催化剂，没有内部，”阿贡国家实验室和分子工程研究所的高级化学家以及共同作者Stefan Vajda说。 “四个铜原子同时参与，因为他们只有几个在集群中，可以暴露并能结合。”

为了补偿具有较少结合位点的催化剂，当前的还原方法创造出高压条件，可以促进与二氧化碳分子产生更强的键。但是，压缩气体进入高压混合状态需要花费大量能量。

这种增强结合的优点在于，新的催化剂需要较低的压力和较少的能量就可以来生产相同量的甲醇。

二氧化碳排放是一个持续的环境问题，据论文作者成，通过研究确定最佳的处理二氧化碳的方式是很重要的。

“我们对寻找新的催化反应很感兴趣，希望其比目前的催化剂更有效，特别是在节能方面，”阿贡国家实验室特聘研究员，以及论文的共同作者Larry Curtiss说。

铜四聚物可以让我们在更大的规模上捕获和转换二氧化碳，以减少对环境构成的威胁，并制造出有用的产品，如甲醇，其能够被运输和作为燃料燃烧。

当然，在催化剂从实验室到产业化还有很长的路要走。

潜在的障碍包括：不稳定，如何制造大规模量的催化剂。铜四聚体在工业环境中使用时有可能会分解，所以确保长期耐久性，是今后研究的一个关键步骤，Curtiss说。虽然科学家们只需要该研究纳克级别量的材料，但是这个量如果用于工业目的则需要大大地增加。

同时，研究人员对寻找其他的催化剂也很感兴趣，感兴趣程度甚至可能超越他们的铜四聚体。

这些催化剂可以根据大小，组成和支撑材料而不同，这可以产生超过2000个潜在组合，Vajda说道。

但科学家没有进行数千种不同的实验，来自阿贡国家实验室的物理学家及本文的共同作者Peter Zapol说。相反，他们将使用先进计算来进行预测，然后进行测试最有希望的催化剂。

“我们还没有找到一个比四铜更好的催化剂，但我们希望，”Vajda说。 “随着全球气候变暖成为越来越大的包袱，我们不断试图把排放的二氧化碳变成一些有用的东西是很紧迫的。”

对于这项研究，研究小组使用纳米材料中心以及先进光子源的12-ID-C束线，这两个都是能源部办公室科学用户设施。

Curtiss说，先进光子源使得科学家可以观察他们的小簇的超低负荷，低至几毫微克，这是本次研究的一个重要部分。

新材料在线编译整理——翻译：Gary       校正：摩天轮