研究人员揭示了零碳燃料合成中的复杂反应途径

光合作用是将二氧化碳(CO2)转化为可用化合物的自然过程。相比之下，通过电化学CO2还原(eCO2R)等过程进行的碳捕获和利用技术是人造的等价物，可以使化学工业将其当前的CO2废物转化为有用的产品。

虽然eCO2R不是一项新技术，但挑战一直是无法控制形成更有用的商品化学品(如乙醇和甲醇)的产品的分布。

新加坡剑桥高级研究与教育中心(CARES)的研究人员使用碳同位素追踪eCO2R过程中的中间体，从而阐明了所需产物的复杂形成途径。该研究发表在《自然催化》杂志上。

这将使科学家能够创造出更具选择性的催化剂，控制产品的选择性，并推动eCO2R作为低碳经济中更有前途的化学品和燃料生产方法。

剑桥和伯克利的联系

eCO2EP碳利用项目的主要研究人员是(CARESLtd)的AlexeiLapkin教授和新加坡伯克利教育研究联盟(BEARSLtd)的JoelAger教授。

这两个组织都是卓越研究和技术企业园区(CREATE)的一部分;CREATE成为构思和执行为期三年的eCO2EP计划的关键环节。虽然该项目于2021年6月成功完成，但正在进行的研究成果(如本文)继续突出了该项目的影响。

Lapkin教授说：“CREATECampus项目的设置让Joel和我创造了一个充满创造力和雄心的环境，使研究人员能够脱颖而出，并针对真正复杂和有趣的问题。”

在1950年代，梅尔文·卡尔文(伯克利大学教授)推导出在光合作用中固定二氧化碳的基本步骤。卡尔文和他的同事使用一种放射性形式的碳作为示踪剂来了解中间体在现在以他的名字命名的循环中出现的顺序(卡尔文因这项工作于1961年获得诺贝尔化学奖)。

eCO2EP团队推断，有了足够灵敏的质谱仪，他们可以利用与碳的两种稳定同位素碳12和碳13相关的反应速率的微小差异来执行类似类型的分析。

科学方法和发现

首先，产品混合物由原型反应器生成，该反应器是为在工业相关条件下运行而建造的。为了在操作条件发生变化时实时检测主要产物和次要产物，使用了高灵敏度质谱法。

由于高灵敏度质谱法在生物和大气科学中的应用更为广泛，研究员MikhailKovalev博士和HangjuanRen博士不得不将该技术应用于原型系统。他们开发了一种新方法，以前所未有的灵敏度和时间响应直接对反应环境进行采样。他们利用carbon-12和carbon-13反应速率的差异将乙醇等产品及其共享相同途径的主要中间体归为一组，以推断化学网络中的关键关系。这导致了几个发现。

第一个发现是，与以前已知的以较低转化率运行的较小反应器相比，扩大到商业规模的反应器中的机制有很大差异。这些知识将使研究人员能够更好地控制产品选择性。

第二个发现是，对两种稳定碳同位素中较重的碳同位素(即碳13)的辨别能力是自然光合作用的五倍。这激发了Ager教授实验室的努力，以更好地理解基础物理学及其这种巨大且未预料到的动力学同位素效应的化学起源。

结论

这项研究提供了关于化学工业如何在当前制造过程中回收其自身废物的见解，化学工业是直接CO2排放量的第三大子行业。

Lapkin教授补充说：“在如此复杂的反应中对多个物种进行原位监测本身就是该团队的一项重大突破。但通过探索同位素富集效应进一步深入研究机制的能力使一切变得不同。”

该项目发现的大碳同位素辨别效应已申请国际专利。

Ager教授总结道：“这项工作需要采用跨学科的方法，借鉴剑桥和伯克利的专业知识。CREATE校园提供了一个理想的环境，可以与一支技术娴熟、积极进取的团队一起实现这项合作研究。”