“人工树叶”让二氧化碳变废为宝

“二氧化碳分子式的排列就像两个人紧紧握着手。这种结构使得二氧化碳分子在化学上极其惰性。我们要做的是迫使它在相对温和的条件下与其他物质发生反应，并将其转化为财富。”天津大学化学工程学院的龚金龙教授认为，如何催化“惰性”二氧化碳是变废为宝的关键。

三年来，在国家重点研发项目的支持下，龚金龙团队通过对二氧化碳化学催化转化过程的深入研究，突破了二氧化碳回收面临的高能耗、低效率、产品附加值低的瓶颈问题。它为其转化利用技术的广泛推广奠定了科学基础，其研究成果处于世界领先水平。

“零排放”转化:最难也是最高标准的途径

世界上每天都有大量的二氧化碳排放到大气中。基于资源的高效利用是实现减排的重要途径，也是一个世界性的问题。长期以来，我国使用的常规二氧化碳转化技术需要高温、高压和催化剂，而利用能源是获得这些条件不可或缺的。在中国以煤为基础的能源背景下，传统技术将导致额外的二氧化碳排放。

“转换过程中不能产生新的二氧化碳，否则它将成为东西方的一道墙。只有当转换量大于排放量时，才具有成本效益。我们的目标是二氧化碳的零排放和净转化。”龚金龙的团队从一开始就选择了最艰难、最高标准的道路。

二氧化碳转化的难点在于其分子结构极其稳定，需要注入高能量进行转化，二氧化碳转化的途径复杂，转化后的产物众多且纯度差。因此，转换路径和催化剂的选择极其重要。

龚金龙的团队专注于太阳能。"太阳能是自然界中取之不尽、用之不竭的绿色能源."龚金龙说他们想到了树叶的光合作用。叶子通过光合作用吸收光能，将二氧化碳和水转化为高能有机物质，同时释放氧气。但是树叶的能量转换效率太低，只有0.1%-1%。“我们想要制造的催化剂就像一片人造树叶，其能量转换效率比普通树叶高100倍。”人造树叶利用太阳能，在催化剂的作用下，可以有效地将水和二氧化碳转化为含碳分子，如甲醇和甲烷，这些分子可以直接用作燃料。

成千上万的实验来实现“人造树叶”的想法

为了实现“人造树叶”的想法，有必要建立一个新的二氧化碳催化转化反应体系，寻找一种更高效的催化剂。然而，这一开创性的研究实在太先进了。回顾最初的研究，龚金龙感慨地说:“我们的研究完全是从零开始的。”

从0到1的过渡是一段极其艰难的旅程。首先，没有现成的商业设备来购买实验设备，研究团队只负责自己的探索、设计和开发。从图纸设计到材料和工具的选择，到最终的实际安装，都是由研究人员自己完成的。其次，选择哪种催化剂更有效完全取决于反复试验，实验失败几乎已经成为常态。

“虽然没有仔细清点，但可以毫不夸张地说，我们已经进行了数万次实验，失败了，总结和调整了计划，然后进行了实验。在那段时间里，它几乎每天都在这样的循环中工作。”龚金龙回忆道。

在研发过程中，龚金龙的团队也面临着来自美国和日本同行的激烈竞争。在这样的压力和动力下，该团队的科研人员每天都在与时间赛跑。

最终，经过三年多的研究，他们利用太阳能、氢能等绿色能源，在温和条件下实现了二氧化碳的高效转化，建立了新型的“光电催化二氧化碳还原”和“二氧化碳加氢还原”方法，开辟了二氧化碳向液体燃料和高附加值化学品的绿色转化渠道，实现了二氧化碳向甲醇等烃类燃料的新突破。在转化过程中，含碳产品的收率高达92.6%，其中甲醇的选择性为53.6%，达到世界领先水平。相关研究成果已在德国应用化学、能源和环境科学等国际知名期刊上作为热点论文发表。

二氧化碳矿化效率是世界上最高的。

在基础研究处于前沿的同时，龚金龙的团队还致力于二氧化碳矿化转化等实际应用的研究。龚金龙教授幽默地说:“我们的研究不应该这么冷，而应该脚踏实地。”

这项“地气”研究是针对目前二氧化碳转化过程中经济状况不佳的情况。通过“离子液体协同催化转化”和“非碱性矿石矿化利用”等措施，利用更高效的催化剂制备高附加值的聚碳酸酯、二氧化钛等精细化学品，为二氧化碳矿化转化的工业应用奠定基础。

龚金龙表示，目前中国每年无法利用2000万吨含钛、铝等成分的高炉渣。该技术在矿化和固定二氧化碳的同时，能高效回收钛、铝等金属元素，矿化过程中获得的高纯二氧化钛可用于染料生产，实现了高炉渣资源的充分利用。目前，该项技术的CO2矿化效率已达到200千克/吨(无碱矿石)，为世界最高水平。现在，研究小组正在进行一项扩大试验，通过每年处理300吨含钛高炉渣来制备高纯度二氧化钛。