意外發現催生效能隨時間提升的革命性催化劑

科學家們研發出一種革命性的催化劑，它不僅能將二氧化碳（CO₂）轉化為有價值的產物，而且其活性會隨著時間不斷增強。這種創新的電催化劑由奈米紋理碳結構上的錫微粒子製成，能夠高效地生產甲酸鹽——一種對各個產業都至關重要的化合物。與會逐漸降解的傳統催化劑不同，這種催化劑會自行分解成更小的錫奈米粒子，從而實現自我最佳化，顯著提升效能。

英國諾丁漢大學（The University of Nottingham）化學學院和伯明翰大學（The University of Birmingham）的研究團隊，利用奈米紋理碳結構支撐的錫微粒子製成了這種催化劑。錫粒子與石墨化碳奈米纖維之間的相互作用，在將電子從碳電極轉移到CO₂分子的過程中起到了至關重要的作用——當施加電勢時，這是將CO₂轉化為甲酸鹽的關鍵步驟。

這些研究成果於今日（2月10日）發表在美國化學學會的期刊《ACS應用能源材料》（ACS Applied Energy Materials）上，該期刊聚焦於能源應用材料的跨學科研究。

CO₂是全球暖化的主要原因。雖然CO₂可以轉化為有用的產物，但傳統的熱轉化方法通常依賴於從化石燃料中獲取的氫。因此，開發像電催化這樣的替代方法至關重要，電催化利用太陽能光伏和風能等可再生能源，並以豐富的水作為氫源。

在電催化過程中，對催化劑施加電勢會使電子穿過材料，與CO₂和水發生反應，從而產生有價值的化合物。其中一種產物甲酸鹽，被廣泛應用於聚合物、藥品、粘合劑等的化學合成中。為了達到最佳效率，這個過程必須在低電勢下執行，同時保持高電流密度和選擇性，以確保有效地利用電子將CO₂轉化為所需的產物。

諾丁漢大學的研究員馬達薩米·坦加穆圖（Madasamy Thangamuthu）博士共同領導了這項研究，他表示：「一個成功的電催化劑必須與CO₂分子強烈結合，並有效地注入電子以打破其化學鍵。我們開發了一種新型碳電極，它融合了具有奈米尺度紋理的石墨化奈米纖維，這些纖維具有彎曲表面和臺階邊緣，能夠增強與錫粒子的相互作用。」

諾丁漢大學的研究助理湯姆·伯韋爾（Tom Burwell）在可持續化學博士培訓中心學習期間參與了這項工作。他開發了研究方法並進行了實驗，他說：「我們可以透過測量參與反應的CO₂分子消耗的電流來評估催化劑的效能。通常，催化劑在使用過程中會降解，導致活性下降。令人驚訝的是，我們觀察到在48小時內，透過奈米紋理碳上的錫的電流持續增加。對反應產物的分析證實，幾乎所有的電子都被用於將CO₂還原為甲酸鹽，生產率提高了3.6倍，同時選擇性接近100%。」

研究人員將這種自我最佳化現象與CO₂還原反應過程中錫微粒子分解成小至3奈米的奈米粒子聯絡起來。湯姆·伯韋爾解釋道：「透過電子顯微鏡，我們發現較小的錫粒子與電極的奈米紋理碳接觸更好，改善了電子傳輸，使活性錫中心的數量增加了近十倍。」

這種轉化行為與以往的研究有很大不同，以往催化劑的結構變化通常被認為是有害的。相反，諾丁漢大學團隊開發的催化劑中精心設計的支撐結構，使得錫能夠動態適應並提高效能。

諾丁漢大學化學學院的安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）教授表示：「CO₂不僅是眾所周知的溫室氣體，也是化學品生產的寶貴原料。因此，用碳和錫等地球上豐富的材料設計新型催化劑，對於可持續的CO₂轉化和實現英國的淨零排放目標至關重要。我們的催化劑還必須在長時間使用中保持活性，以確保最大價值。」

這一發現標誌著在理解電催化支撐結構設計方面取得了重大突破。透過在奈米尺度上精確控制催化劑與其支撐結構之間的相互作用，該團隊為將CO₂轉化為有價值產物的高選擇性和穩定催化劑奠定了基礎。

這項研究由工程和物理科學研究委員會（EPSRC）的「用於可持續未來的表面和介面金屬原子（MASI）」專案資助，該專案旨在開發用於轉化三種關鍵分子——二氧化碳、氫和氨——的催化劑材料，這些分子對經濟和環境至關重要。MASI催化劑以原子高效的方式製成，確保可持續地使用化學元素，避免耗盡稀有元素的供應，並充分利用地球上豐富的元素，如碳和賤金屬。

參考文獻：2025年2月10日，《ACS應用能源材料》。DOI: 10.1021/acsaem.4c02830

諾丁漢大學致力於推動綠色和可持續技術的發展。東米德蘭茲地區最近啟動了零碳叢集專案，以加速綠色產業和先進製造業的創新發展和應用。