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二氧化碳“变身”燃料!南大最新成果推进电解池技术登上《自然》杂志
2020/05/15 15:04  新华报业网  

  交汇点讯 5月13日,南京大学等单位的一项成果成功预测并首次大面积合成纳米铜铝合金催化剂的材料,在其表面高效率、大产率地电催化合成出了乙烯。相关研究发表在《自然》杂志上。研究不仅为乙烯生产开辟了新的道路,还为以二氧化碳为原料合成其它化工产品指明了方向。

  机器学习与密度泛函理论计算框架实现高性能电催化还原CO2材料的预测

  “一举多得”的技术方向需破解成本

  在电和催化剂作用下,用二氧化碳和水制取乙烯,不仅能减少温室气体,还能解决可再生电能长期存储问题。

  这样“一举多得”的技术方向为各国研究者热切关注,但由于耗电量大、反应效率大多较低,长期以来该技术无法进入工业应用。

  由南京大学现代工程与应用科学学院钟苗课题组与加拿大多伦多大学爱德华·萨金特(Edward Sargent)教授团队、美国卡耐基梅隆大学Zachary Ulissi教授团队合作的这项研究成果,正是高效率地推进这项技术走向应用。

  项目的第一作者,南京大学现代工程与应用科学学院钟苗研究员告诉记者,用二氧化碳生成的乙烯是基本化工原料之一,目前全球每年需求量约1.64亿吨,通常用石油或天然气制取。

  此外,在这个技术中,电能转化也有其重要意义。“在这个反应中,电是一个输入‘能量’,而通过这个反应后,电能就变成了化学品的形式储存起来。”钟苗表示,我国有丰富的清洁可再生电能,都可以直接存储于碳化学键之中,以化学品的形式,实现碳资源可持续利用,具有重要的科学意义和工业应用前景。

  人工智能用巧力,找到最优“催化剂”

  这项工作的核心是找到并研制了铜铝合金这一关键催化剂,提升了电催化反应的能量转换效率、产率(电流密度)及稳定性。

  如何找到这个关键的最有效的催化剂?钟苗告诉记者,用传统的理论计算加测试分析的方式,一个一个的筛选每种可能的催化剂用的是“蛮力”,耗时非常长,而使用人工智能的方法可以大大提高运算速度。“我们根据催化剂应有的性能进行理论计算,让机器自己去学习这样一个过程,然后不断迭代、筛选、更新,算法越精确,筛选的量越多,我们就能找到最优的催化剂。”

  根据对催化剂的预测结果,团队再进一步技术化的制备该催化剂,进一步开发了物理气相沉积与去合金化相结合的新合成方法,在气体扩散电极上大面积制备了纳米铜铝合金催化剂,“经过我们的实验测试,纳米铜铝催化剂在反应选择性、电流密度、产率、能量转换率等指标性能上都处于领先地位,为电催化二氧化碳还原技术走向实际应用提供了经验。”

  在该项工作中,多伦多大学、南京大学和卡内基梅隆大学分别为第一、二、三工作单位。此项工作得到了国家海外高层次人才项目、国家自然科学基金委、江苏省基金委的资助,以及南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的大力支持。

  交汇点记者 杨频萍

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责编:周莉娜

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