对付温室气体CO2的“大招”？《Science》报道新催化剂

在大自然中，植物通过光合作用吸收空气中的二氧化碳并转化为氧气和有机物，这个过程实在太缓慢，所以几十年来化学家们一直在努力想要通过化学手段回收利用二氧化碳。但二氧化碳是非常稳定的分子，不具有太大反应性。

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化学家们发现以钴原子为核心的环状有机分子卟啉，在回收利用二氧化碳的反应中是一个很有希望的催化剂。在有两个电极、电解质和二氧化碳溶液的系统中，卟啉会靠近带负电荷的电极并将电子输送给二氧化碳，将其分解为一氧化碳（CO）和氧气。但这种方案要求卟啉溶解于一种可能对环境有损害的有机溶剂中，而且卟啉往往会聚集在一起，随着时间的推移，逐步失去电子输送能力。

为了解决这些问题，以加州大学伯克利分校的Omar Yaghi和Chris Chang为首的科学家团队在《Science》刊文介绍了他们发现的一种方法，能在一种叫做共价有机框架（COF）的多孔固体材料中将卟啉连接起来，这种新催化剂可以有效地将大气中的二氧化碳分解成为CO和氧气。这不仅有助于清洁我们的天空，得到的CO也可用于可再生能源支持下的燃料制造。

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Yaghi的团队曾经开发了多种COF材料作为过滤器，来分离不同的气体。他们想看看他们的钴COF是否在分解二氧化碳方面也有用武之地。卟啉似乎是一个天然的选择，因为它们不仅擅长将电子输送给二氧化碳，而且也可以导电。从理论上讲，使用卟啉的COF作为催化剂将允许材料通过厚膜结构将电子从电极传到卟啉组分上。而且COF的多孔性将允许二氧化碳渗入并可以接触卟啉核心的具有催化活性的钴原子。

这个团队将他们合成的新COF材料放在电极上。因为这种催化剂已经与电极紧密接触，所以在这个体系中并不需要另外加入溶解卟啉的有机溶剂，可以用简单的水溶性电解质代替。二氧化碳分解实验的关键是是二氧化碳分子结合到卟啉核心的钴原子。但该研究团队发现，在他们的钴卟啉COF系统中，不是所有的二氧化碳分子都能找到自己的目标。所以他们重建了这个COF框架，使孔径稍稍变大，以利二氧化碳分子通过。他们还增加了一点铜原子，二氧化碳分子倾向于避开铜原子而趋向于钴原子，所以添加铜造成二氧化碳分子像追星族一样聚集在钴原子周围，这增加了二氧化碳分子接触钴原子并进行分解的几率。

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其结果是，这种双金属的COF分裂二氧化碳分子的速度是自由钴卟啉分子的60倍，并且利用了90％的电子来使二氧化碳分子分裂为CO，效率高的惊人。而且这种催化剂活性很高，每小时可以分解约240,000个二氧化碳分子，比只有钴的COF快25倍。这样的“成绩”确保它成为当前二氧化碳分解催化剂中的“老大”。

“这是很不错的工作，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家Paul Kenis说。很多实验室都试图通过使用多孔电极材料，以提高二氧化碳至CO的转化率。但在这项工作中，电极本身由具有催化活性的材料制成，“所以，这是一石二鸟，”Kenis说。

最终，这种方法获得的CO可以与氢气（通过将水分解成氢气和氧气制造）相结合，利用可再生能源（如风能和太阳能）来生产碳氢燃料，Kenis和Yaghi说。虽然目前这仍然比石油燃料贵，但考虑到这种方法得到的可再生燃料不增加碳排放，这类催化剂的前途一片光明。

1. http://www.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8343.abstract

2. http://news.sciencemag.org/chemistry/2015/08/designer-material-clears-hurdle-turning-carbon-dioxide-fuel