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新加坡國立大學(xué)科學(xué)家在銅催化劑上涂覆了一層厚度僅2至5納米的生物聚合物薄膜，從而使二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯等高價值燃料過程變得更加高效、環(huán)保。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然·能源》雜志。

電化學(xué)二氧化碳還原，是指利用電能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含碳的高附加值化學(xué)品或燃料（如乙醇、乙烯）的過程。它既是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)，也有助于可再生能源的存儲。銅是目前最常見、最有效的催化劑。

然而，要讓銅主要生成多碳產(chǎn)物而非簡單的氫氣，必須精細調(diào)控催化劑表面的化學(xué)環(huán)境，通常需要添加Nafion等全氟和多氟烷基物質(zhì)。但添加的這種物質(zhì)是一種“永久性化學(xué)物質(zhì)”，與免疫力下降、某些癌癥風(fēng)險增加等健康問題相關(guān)。

最新研究證明，這些來自海鮮殼、木材等生物廢物的生物聚合物涂層通過一種截然不同的機制，達到了同樣效果。借助先進的光譜技術(shù)和計算模型，團隊發(fā)現(xiàn)涂層能將二氧化碳富集在催化劑表面，限制水的運動以抑制副反應(yīng)，同時促進離子高效傳輸。這些因素共同抑制了氫氣的生成，轉(zhuǎn)而有利于乙烯、乙醇等高價值產(chǎn)物的形成。

團隊表示，這項研究不僅展示了改善電化學(xué)二氧化碳還原的新途徑，還表明，那些依賴永久性化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)，有望被來源于海鮮殼、昆蟲外骨骼、木材或枯葉的纖維素、甲殼素和殼聚糖所取代。

實驗結(jié)果顯示，采用新型纖維素涂層后，在1.6安培/平方厘米的電流密度下，多碳產(chǎn)物的產(chǎn)率高達95%；即使在2.2安培/平方厘米的高電流密度下（反應(yīng)速度更快，但副產(chǎn)物氫氣也會增多），多碳產(chǎn)物的產(chǎn)率仍能保持在83%。這說明生物聚合物涂層在工業(yè)級苛刻條件下依然表現(xiàn)出色。

此外，生物聚合物完全可替代Nafion。按重量計算，優(yōu)質(zhì)殼聚糖的價格僅為Nafion的千分之一。若將該技術(shù)規(guī)模化，有望大幅節(jié)約成本。