▲从以化石燃料为基础的“空气污染型”经济向以可再生能源为基础的“清洁型”经济的可视化转变。实现这种转变的关键在于采用电催化将二氧化碳转化为燃料和其他有用的化学品。电催化反应的瓶颈是激活线性二氧化碳分子，成为吸附的椅型构型羧酸盐二氧化碳。
《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志今天出版的网络版文章称，美国哥伦比亚大学（简称CU）的工程师们利用表面增强拉曼光谱（SERS），研究了二氧化碳是如何在电极-电解质界面被激活的。他们的发现将催化剂设计从“试错模式”转变为“精确制导”模式，从而催生更便宜和更安全的可再生能源存储方式。
该成果解决了二氧化碳转化的第一个难题：他们证明了二氧化碳的电还原是从一个普通的中间产物出发，而非通常认为的两个。研究人员采用一套综合的实验和理论方法来鉴定二氧化碳电还原的首个中间体的结构：与碳原子和氧原子结合，吸附在表面的羧酸盐二氧化碳。研究结果还通过量子化学模拟进行了验证。
多年来，科学家们一直在寻找将二氧化碳转化为化学品和燃料的方法。早在1869年，研究人员就发现了电催化二氧化碳转化为甲酸的方法。而在过去的20年里，地球大气中迅速增加的二氧化碳含量加速了利用可再生能源（包括太阳能、风能和潮汐）进行二氧化碳转化的研究。然而这些可再生能源具有间歇性的特征，因此如何安全、经济地储存可再生能源成为主要挑战。
近年来，电催化转化二氧化碳方面的研究指出，可以将二氧化碳作为原料和可再生能源，用于合成多种类型的燃料和增值化学品（如乙烯、乙醇和丙烷等），但科学家们对这些反应的第一步（即二氧化碳的活化）仍心存困惑。了解活化的二氧化碳的确切结构至关重要，它决定了反应的最终产物和能量成本。反应的初始步骤和途径均很多样，生成的产物也是典型的混合产物。如果科学家们得以弄清楚这一过程的运行机制，他们就能更好地设计反应的选择性，从而开发具有商业价值的催化剂。
如今CU的研究人员解决了二氧化碳转化的第一个难题。论文第一作者、地球与环境工程副研究员伊琳娜?谢林绍娃说：“我们的研究结果为二氧化碳的活化研究打开了广阔的空间。通过充分认识二氧化碳的电解还原，人类或能减少对化石燃料的依赖，进而有助于控制气候变化。此外，我们对固-液界面二氧化碳活化的深入研究，将使研究人员能够更好地模拟从二氧化碳到复杂有机分子的前生物场景，进而了解地球的生命起源。”
并没有参与此项研究的美国加州理工学院（简称CTU）的威廉?戈达德（William Goddard）教授评价，结合CU和CTU的研究成果，将对太阳能水解、二氧化碳转化为有机物，以及氮气转化为化肥等研究带来巨大帮助，这些技术对于解决高人口压力下的食物和能源问题有重要意义。
CU的研究小组正在对二氧化碳电催化的后续反应步骤展开研究，以确定二氧化碳是如何进一步转化的，并开发出以铜和锡等地球富矿为基础的高级催化剂。
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编译：雷鑫宇
责编：南熙
