俄亥俄州立大学—— 多年来，化学家一直致力于从废物分子中合成高价值材料。现在，一个国际科学家团队正在合作探索利用电力来简化这一过程的方法。

在最近发表在《自然催化》 杂志上的一项研究中，研究人员证明，温室气体二氧化碳可以有效地转化为一种称为甲醇的液体燃料。

该过程涉及将酞菁钴(CoPc) 分子均匀地铺展到碳纳米管上，碳纳米管与石墨烯类似，具有独特的电性能。碳纳米管表面有一层电解质溶液。通过电流，CoPc 分子可以吸收电子并利用电子将二氧化碳转化为甲醇。

使用基于原位光谱学的特殊方法来可视化化学反应，研究人员首次看到这些分子转化为甲醇或一氧化碳，而这不是所需的产物。他们发现反应路径取决于二氧化碳分子反应的环境。

通过控制CoPc催化剂在碳纳米管表面的分布方式来调节这种环境，可以使从二氧化碳生产甲醇的可能性提高八倍，这一发现可以提高其他催化过程的效率，并对其他领域产生广泛的影响。研究报告的合著者、俄亥俄州立大学化学和生物化学教授罗伯特·贝克说。

“当你将二氧化碳转化为其他产品时，你可以制造许多不同的分子，”他说。 “甲醇绝对是最理想的分子之一，因为它具有如此高的能量密度，可以直接用作替代燃料。”

虽然将废物分子转化为有用的产品并不是一个新现象，但到目前为止，研究人员往往无法观察反应实际发生的情况，这对于优化和改进过程至关重要。

贝克说：“我们可能已经根据经验优化了某些东西的工作原理，但我们并不真正了解是什么让它发挥作用，或者是什么让一种催化剂比另一种更有效。”表面化学专门研究化学反应在以下情况下如何变化。它们出现在不同物体的表面。 “这些都是很难回答的问题。”

但在特殊技术和计算机建模的帮助下，该团队距离掌握这一复杂过程又近了一步。该研究的主要作者、前俄亥俄州立大学校长学者朱全松说，在这项研究中，研究人员使用了一种新型振动光谱，使他们能够观察分子在表面上的行为。朱全松富有挑战性的测量对于这一发现至关重要。

“我们可以通过它们的振动特征判断，它们是两种不同反应环境中的相同分子，”朱说。 “我们能够将这些反应环境之一与甲醇（一种有价值的液体燃料）的生产联系起来。”

研究还发现，更深入的分析还发现，这些分子直接与称为阳离子的超带电粒子相互作用，从而增强了甲醇的形成过程。

贝克说，需要更多的研究来了解这些阳离子还有哪些其他功能，但这些发现对于实现更有效的甲醇生产方式至关重要。

贝克说：“我们看到了非常重要的系统，并了解到了人们长期以来一直想知道的事情。” “了解在分子水平上发生的独特化学反应对于实现这些应用非常重要。”

由可再生电力生产的甲醇除了作为飞机、汽车和船舶等运输的低成本燃料外，还可用于供暖和发电，并推动未来的化学发现。

贝克说：“根据我们在这里学到的知识，接下来可能会发生很多令人兴奋的事情，其中一些我们已经在共同努力。” “这是一个正在进行的工作。”

合著者包括耶鲁大学的Conor L. Rooney 和Hailiang Wang、希伯来大学的Hadar Shema 和Elad Gross，以及宾厄姆顿大学的Christina Zeng 和Julien A. Panetier。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国-以色列双边科学基金会（BSF）国际合作的支持。