“二氧化碳不是壞東西，而是一種
碳源，它不僅可以做玩具，還可以制衣服、制香水！”在華中科技大學光學與電子信息學院教授龐元杰眼里，很多人認為是個“問題”的二氧化碳簡直是塊“寶”。
《中國科學報》記者從華中科技大學獲悉，龐元杰團隊歷時4年，以二氧化碳為原料高效制備醋酸，揭開了“零碳”制造夢想的一角。其研究成果多項指標大幅打破世界紀錄，相關
論文5月3日刊發于《自然》。
不過，他們的論文投稿也曾經歷一波三折，被《科學》拒稿，轉投《自然》，又在審稿
專家要求下，將實驗從15小時“跑”到“瘋狂”的820小時……
一個“零碳”制造的科學夢想
為什么“盯上”二氧化碳？龐元杰告訴《中國科學報》，工業革命以后，如何應對以二氧化碳為代表的溫室氣體排放是人類面臨的一個棘手問題。以往一些研究者也開展過針對二氧化碳的利用研究，但大多是單向利用。比如飲料中的二氧化碳，人喝下去以后，打個嗝二氧化碳又釋放了出來，大多未能達到零排放和循環利用的目標。
能否以更先進的技術電解二氧化碳，獲得人類需要的生產生活資源，從而變廢為寶、循環利用，真正實現“零碳”？懷著這一夢想，2018年回國后，龐元杰在過往研究基礎上，準備創新方法開展“零碳”制造技術研究。2019年，博士后金健加入龐元杰團隊，這項研究正式啟動。
該團隊以“零碳”制造為目標，從醋酸著手，使用清潔可再生電能，生產過程不僅不產生二氧化碳，還能消耗二氧化碳。
醋酸，又名乙酸，是一種重要的有機化工原料，制造化纖衣物、香水香氛、塑料加工品等都需要大量使用這一原料。傳統方法生產醋酸通常采用化學合成或淀粉發酵法，用這些方法，“每生產1千克醋酸會排放約1.6千克二氧化碳”。我國作為全世界第一大醋酸生產國，醋酸年產量超過800萬噸，給生態環境治理帶來了很大壓力。
以醋酸為目標產物，龐元杰團隊聯合加拿大多倫多大學E.H. Sargent小組、武漢理工大學麥立強小組，通過電催化二氧化碳還原技術，開展醋酸的“零碳”制造，期望能將二氧化碳“變魔術般”地制成衣服、香水等。
電催化二氧化碳還原技術是一種頗具潛力的
清潔能源存儲手段，但在電解過程中如何高選擇性、高速地生產單一高附加值產物卻是團隊困惑已久的問題。電解水只獲得氧氣和氫氣，電解二氧化碳卻可以獲得20余種產物。
“這項研究的一個難題就是從電解二氧化碳所得到的20余種產物中，精準得到我們想要的東西。”龐元杰介紹，為了穩定醋酸的生成率，研究團隊要解決的首要問題是反應裝置的設計與搭建，其次是催化劑的選擇。
利用高壓裝置和催化劑上的創新，該團隊以電催化二氧化碳還原技術為基礎，采用“兩步法”二氧化碳還原途徑，穩定住醋酸反應路徑的關鍵中間基團，最終高產率合成了醋酸。
直面《自然》給出的研究難題
為了穩定醋酸反應路徑的關鍵中間基團，實現“零碳”制備目標，該團隊自主發明了一套高壓三相界面裝置，并在此基礎上開展了一系列研究。
“一開始就遇到很多困難。”團隊成員金健告訴記者，這項技術的前期研究在國外，歸國后龐元杰帶領團隊自主研發實驗設備，將設備從常壓版本升級為高壓版本后，一直重復不了當時的數據。大家到處找原因，最后連“實驗樓地線沒有完全接地”之類的問題都摸排了。此外，合適的催化劑選擇也是一個艱難的過程。
解決了上述問題，他們終于得到了“限制二碳吸附基團構象完成一氧化碳向乙酸鹽電還原”這一重要研究成果。其主要原理是使用二氧化碳和水為原料，生成乙酸這種主要產物。
實驗成功，團隊成員都很興奮。他們將論文成果投給《科學》，卻很快被拒稿了。2021年，他們將論文轉投《自然》，審稿專家一針見血地提出“實驗穩定性不夠”。當時，他們的實驗穩定時間僅為15個小時。
調整設備、優化催化劑選擇、更加精細地進行實驗，經過一系列努力，他們終于將穩定性提升至50小時，再次興沖沖地投稿。然而，富有戲劇性的事又發生了。《自然》審稿專家回信認為，50小時還不夠，因為相關領域科學家已經發表成果，能夠連續500小時保持乙酸生成率50%以上。
實驗數據上的競爭對應著激烈的國際競爭。繼續調整設備、優化催化劑選擇、更加精細地進行實驗，終于該團隊的實驗連續穩定性突破了200小時。“不要停！”龐元杰叮囑科研人員，“一定要讓設備繼續‘跑’下去！”
300小時、400小時、500小時！“繼續！”
刷新500小時的世界紀錄后，團隊成員視實驗設備為珍寶。為了避免被人為中斷，他們在實驗室門上注明：“正在進行重要實驗，懇請暫緩其他實驗。”為了防止大樓保安、保潔等人員誤入，他們貼上告示：“正在進行重要實驗，有事電話聯系，15分鐘內必到！”
終于，經過一段時間的緊張運行后，該實驗在“820小時”這一節點停了下來。
龐元杰告訴記者：“停下來的原因不是實驗本身的問題，而是一個柱塞泵濾網堵了。可能柱塞泵的制造廠商也沒想到，居然需要讓泵連續、高壓運轉那么久。”
在選擇性、能量轉化效率、穩定性上大幅刷新世界紀錄后，龐元杰團隊終于在2023年春節前收到了《自然》的接收通知。
努力讓二氧化碳得到更廣泛應用
“我記得很清楚，接到《自然》接收通知那天是臘月二十三，歷經4年的煎熬，大家在春節前終于熬出來了！”龐元杰說，同行認可讓他覺得自己多年的堅持是對的，沒有辜負團隊成員的信任。
執著于這項復雜研究的金健，此前因為一直沒有產出顯著成果，已經連續兩次延期出站，“即便耐得住寂寞，卻也掩蓋不住焦慮”。4年、上千個日夜的艱苦研究，終于有所回報。
“不僅是醋酸這類羧酸類化學品，烴類、醇類等重要化學品也有望實現‘零碳’制造。”談及未來，龐元杰表示團隊將利用上述技術，讓二氧化碳在醫藥、燃料、化工原料的生產過程中得到更廣泛應用。
他舉例說，比如將太陽能發電板發出的電能轉換為便于儲存的燃料化學能，再將燃料化學能有序釋放，實時滿足生活和生產的各種用能需求。再比如，選用合適的催化劑進行乙醇（酒精）生產，從而擺脫對以農作物為原料生產乙醇的依賴，減少土地和糧食的資源消耗。
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