研究者发现纳米颗粒可用于二氧化碳捕集与转化

在《可持续化学》期刊《ChemSusChem》上最近的一篇文章中透露，匹兹堡大学的研究人员正在“掺杂”纳米粒子，以增强其捕集二氧化碳的能力，并为工业过程提供一个碳源。“掺杂”在化学工程中是指在另一种材料中加入一种物质以提高其性能。

着全球气温的升高，对二氧化碳捕集的研究也在增加。根据美国国家航空航天局(NASA)最新的测量数据，大气中的二氧化碳含量达到了历史最高的408 ppm。先前的研究已经表明温室气体如二氧化碳与变暖趋势之间的联系，这一趋势始于20世纪初。

“我们的许多工业过程导致了大气中大量的二氧化碳，所以我们需要开发新的技术来进行干预，”匹兹堡大学斯旺森工程学院的化学和石油工程助理教授Giannis Mpourmpakis说，“从大气中捕集二氧化碳并将其转化为有用的化学物质，对环境和工业都有利。”

Mpourmpakis博士与匹兹堡大学化学和石油工程学系的其他研究人员，包括Gotz Veser教授以及三位博士生：James Dean, Natalie Austin，和Yahui Yang，共同撰写了题为“基于铜基双金属纳米颗粒的二氧化碳吸附和活化的设计”的研究。在2018年4月杂志的封面上刊登了一幅关于氧化锆铜纳米材料的描述。

通过一系列的计算机模拟和实验室实验，研究人员通过在铜纳米粒子中掺杂锆，设计并开发了一种捕集和活化二氧化碳的稳定的催化剂。研究人员认为纳米粒子具有很大的潜力，可以减少某些过程的碳足迹，比如燃烧化石燃料。然而，二氧化碳分子很难被改变。

“二氧化碳是一种非常稳定的分子，需要‘活化’来转化它。这种活化是通过将二氧化碳与催化剂结合，使碳氧键不稳定。我们的实验证实了Mpourmpakis组的计算化学计算结果，认为使用锆元素掺杂铜可以降低二氧化碳的碳氧键的稳定性，”Veser博士解释说。

Mpourmpakis的小组使用计算化学来模拟数百个潜在的实验，比传统的实验室方法更快、更便宜，并且识别出最有希望的候选掺杂物，然后通过实验验证。

铜纳米颗粒非常适合于将二氧化碳转化为有用的化学物质，因为它们很便宜，而且是优良的氢化催化剂。通过氢化，二氧化碳可以转化为高附加值的化学物质，如甲醇(CH3OH)或甲烷(CH4)。不幸的是，转换二氧化碳也需要将其活化，而铜不能提供。锆与铜可以很好的结合，并轻松地将二氧化碳活化。

Mpourmpakis博士说:“要有一个有效的掺杂剂，你需要在催化剂表面有一些能将电子传递给二氧化碳的位点。掺杂剂改变了材料的电子特性，我们发现锆在活化二氧化碳方面特别有效。”

匹兹堡大学的研究人员测试了许多不同的纳米颗粒的结构，发现了掺杂锆的铜纳米颗粒极具氢化二氧化碳潜能的催化剂，并且已经开始测试其有效性。