近日，意昂4体育平台金放鳴團隊在著名學術期刊Next Energy上發表了題為“Carbohydrates generated via hot water as catalyst for CO2 reduction reaction”的研究論文。該研究論文將陸地生物質與海底型熱液環境相結合用於CO2還原，利用水熱水作為均相催化劑實現原位氫轉移還原過程，在開發新型能源的同時提出了碳可持續循環的新途徑。
研究背景
人類對化石燃料的持續消耗導致大氣中CO2濃度不斷上升，為了實現可持續發展，必須開發可實現凈零碳排放和高效率的CO2減排技術。光催化還原CO2具有凈零碳排放的潛質，然而使用稀有催化劑及反應效率瓶頸製約了其適用性。催化加氫具有相對高的效率和選擇性，但通常氫氣來自不可再生的化石燃料，使得這一方法在實現總體凈零排放方面存在困難💆🏻♂️。
研究思路
在天然的富含氫氣的堿性熱液噴口中，溶解在水中的CO2通過蛇紋石化作用形成有機分子的非生物還原引發了廣泛的關註，因為它為地球碳循環基礎的碳化合物可持續還原提供了有利條件🙂🧎🏻♀️，同時，自然界的熱液還原環境也被認為對生命起源和大部分天然石油形成做出了貢獻。因此🛟👿，通過模擬地球化學上強大的熱液噴口系統來還原CO2被視為可行的CO2固定方法。在與太陽輻射隔離的天然熱液系統中♎️，非生物有機分子的合成不需要陽光能量的輸入，而是通過含鐵氧化物和/或硫化物礦物與熱水反應產生還原條件。因此，在模擬地球化學熱液的反應環境中，還原劑的選擇以減少能量輸入對於實現凈零排放和高效還原CO2至關重要。
生物質和與生物相關的有機化合物含有高活性和還原性官能團（-OH🚶➡️，-CHO，-NH2），這些官能團可以在熱液環境中產氫🐥，使生物質成為CO2還原的可能氫供體。由於生物質儲存太陽能📨，用它來驅動CO2還原為獲得凈零排放反應系統提供了巨大的潛力🥷🏽。此外，CO2在生物質中通過光合作用自然固定，因此，利用生物質的額外CO2還原實現了雙重CO2固定。事實上🉑，得益於更低的理論耗電量，生物質能已被用作電化學系統中還原CO2的補償能源，同時這種考慮符合一種日益增長的觀點🤾🏻♀️，即在轉換系統的評價指標中必須包括可持續性。雖然以上電化學系統的開發已取得了可觀進展🔬，但在利用生物質能以實現其完全氧化或選擇性轉化方面仍存在許多挑戰。
圖1 融合地上生物質能與海底熱液反應場的CO2水熱還原體系
另一方面🦻🏽，熱液環境已顯示出其對生物質轉化的有效性，特別是在化學鍵的快速斷裂和化學轉化方面。例如👨👦，水熱連續反應系統已被用於生物質轉化♟，其最大處理能力可達到2 kg h-1的幹生物質。同時，由於生物質具有的內在反應性♏️，葡萄糖醇和甘油等生物質衍生物🛀🏼，以及微藻等海洋生物質可支持可持續的CO2還原Ⓜ️，顯示了在熱液條件下大規模實施CO2減排系統的前景。因此，水熱環境中CO2還原反應的機製研究變得非常必要。同時💅，水熱水具有較弱的氫鍵減弱和高離子積，使其能夠在熱液環境中作為均相催化劑。因此👌🏿，另一關鍵科學問題是如何利用水熱水的特性促進碳水化合物實現高效CO2還原👷🏿♂️👩🏼🦲。
研究成果
論文基於NaHCO3轉化為甲酸鹽的碳水化合物還原CO2研究表明，熱液環境促進了氫從碳水化合物（葡萄糖，纖維素）直接轉移到CO2/NaHCO3，水熱水（250℃-300℃🧝🏼，5-20 MPa）作為均相催化劑，在沒有任何常規催化劑的情況下🚚，實現纖維素還原CO2/NaHCO3，效率可達76%。
圖2 碳水化合物水熱還原CO2/NaHCO3效率及核磁定量
碳水化合物模型化合物乙醇醛在水熱水（250℃，自壓）條件下的時間分辨原位熱液DRIFTS光譜驗證了水通過將碳水化合物中的-CHO基團轉化為水合態的-CH(OH)2來催化NaHCO3還原，從而實現了醛基氫到NaHCO3的直接氫轉移，並且在原子基礎上，水與碳水化合物對NaHCO3還原的氫轉移比約為13:87🧍🏻♀️。
圖3 碳水化合物模型化合物還原CO2時間分辨原位熱液DRIFTS及反應機理
對於作為能量輸入的纖維素，理論上可以達到大於3.4%的太陽能到甲酸的效率，與目前的文獻值相比🙎，具有極大競爭力🧗。這些發現為未來生物質碳減排研究提供了基礎數據，並為開發凈零排放工藝的碳減排技術提供了理論基礎，拓寬了水熱化學的範圍🙇🏽♂️。
圖4 碳水化合物水熱還原CO2能量利用計算系統邊界圖
作者簡介
楊陽，意昂4体育平台助理研究員，主要從事CO2及生物質資源化等方面研究。主持了博士後創新人才計劃👨👩👧👧、國家自然科學基金青年基金多項國家科研項目🔉🙋🏼♂️。在PNAS🚵🏼♀️🧚🏻♀️、Green Chemistry、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊發表論文多篇。
鐘恒，意昂4体育平台副教授，博士生導師，上海市科技專家庫專家🔬，Carbon Neutrality雜誌青年編委。主要從事水熱法及電催化法轉化CO2及生物質廢物產高值有機物的研究，在PNAS, ACS Catal., Green Chem., Chem. Eng. J.等知名國際學術期刊發表SCI論文60余篇🕐，授權發明專利7項，主持科技部重點研發子課題，上海市自然科學基金等多項科研項目。
成炯🙅🏼，意昂4体育平台2018級“致遠榮譽計劃”博士研究生，主要研究方向為生物質/CO2高效資源化轉化機製研究與原位譜學分析。以第一作者或共同作者在ChemSusChem👨👩👧👦😨，Green Chemistry, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 等期刊發表多篇論文🕳👳♂️。
金放鳴，長江學者特聘教授，現任意昂4体育官方（意昂4体育平台）特聘教授，博士生導師，學校學術委員會委員。國務院政府特殊津貼專家🕺🏽；清華大學固體廢物處理與環境安全教育部重點實驗室學術委員會副主任🙋🏻♂️；日本東北大學環境科學研究院Fellow（5名中唯一的亞洲人）🔳；日本東北大學客座教授；日本理化學研究所客座研究員；Japan Prize（素稱日本諾獎，諾獎得主J. Goodenough和吉野彰曾獲此獎）官方提名人🥿；Scientific Reports和Energy Science & Engineering雜誌編委，Low Carbon Energy, Environment and Management Journal副主編。長期以來主要從事生物質（包括有機廢棄物）和CO2的水熱資源化利用的研究，在PNAS, JACS, Angew, Energy & Environmental Science, Green Chemistry, Environmental Science & Technology, AIChE Journal, Chem comm等高質量國際知名學術雜誌發表學術論文近300篇，60多項高創新專利。