波恩大学与蒙特利尔大学的研究团队开发了一种新型催化剂，能够高效地利用电力从二氧化碳和水中合成甲烷。这种甲烷可用于公寓供暖或作为化学工业的原料，同时也是天然气的主要成分。
如果使用绿色电力生产，甲烷的生成在气候上几乎是中性的。研究人员从模型系统中获得的见解可以应用于大规模技术催化剂的开发。此外，该系统还可用于合成其他重要化合物。这项研究已发表在《自然化学》期刊上。
许多化学反应需要能量来启动，这种能量可以通过加热反应物或施加高压来提供。“我们使用电力作为驱动力，”Nikolay Kornienko博士解释道。“例如，利用气候友好的电力，我们可以生产不会导致全球变暖的甲烷。”
这位研究人员最近从蒙特利尔大学转到波恩大学的无机化学研究所。他在加拿大开始了最新的研究，并在新环境中完成。“甲烷（化学式为CH4）的合成具有挑战性，因为反应需要在气体和液体之间进行，”科尔尼扬科表示。
在此过程中，我们讨论的是二氧化碳（CO2）和水（H2O）。研究人员使用气体扩散电极将这两种物质聚集在一起。在反应中，需要将两个氧原子从碳原子中分离，并用四个氢原子替代。氢气则来源于水。
防止副反应
该过程面临的问题是，水在电流作用下更倾向于发生另一种反应，分裂成氢和氧。“这是我们必须避免的竞争性反应，”科尔尼扬科的助手摩根·麦基强调，他负责大部分实验。
“否则，它会阻碍我们生成甲烷。因此，我们必须防止水与电极接触，同时又需要水作为反应物。”
这就是新开发的催化剂——沉积在电极上的催化剂——发挥作用的地方。它确保二氧化碳更容易、更快速地反应生成甲烷。通过其所谓的“活性中心”，该催化剂能够容纳二氧化碳，并削弱碳原子与两个氧原子之间的键。
在接下来的步骤中，这些氧原子逐渐被四个氢原子取代。在这一阶段，催化剂需要水，但也必须保持一定距离，以避免不良副反应。“为此，我们将长分子侧链结合到活性中心，”Kornienko教授解释道，他也是波恩大学跨学科研究领域“物质”的成员。“这些侧链的化学结构排斥水，换句话说，它们是疏水的。”
疏水分子链
侧链不仅将水分子远离活性中心和电极，还起到某种传送带的作用。
例如，它们从水分子中夺取氢原子，并将其运输到活性中心，在那里与碳原子反应。通过这种方式，CO2经过几个步骤转化为CH4。
该过程的效率超过80%，几乎不产生任何不希望的副产品。然而，该催化剂并不适合大规模生产甲烷。Kornienko表示：“不过，我们在这种催化剂上实现的反应原理可以应用于其他催化剂材料，以便进行大规模技术应用。”
研究人员认为，甲烷的生产并不是这种方法的唯一应用领域。在他看来，这种方法在乙烯等其他化合物的生产中可能更具经济效益。乙烯是许多塑料的原料。
从中期来看，这种新的催化剂方法可以在可能的情况下使用，使塑料生产更加环保。
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希望本篇文章《电力驱动催化剂实现气候中性甲烷合成》能对你有所帮助！
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