820小时破世界纪录!4年终登Nature,他们揭开梦想一角
文|《中国科学报》记者李思辉 通讯员 高翔 廖鑫
“二氧化碳不是坏东西,而是一种碳源,它不仅可以做乐高玩具,还可以制衣服、制香水!”在华中科技大学光电信息学院教授庞元杰眼里,很多人认为是个“问题”的二氧化碳简直是块“宝”。
《中国科学报》记者从华中科技大学获悉,该校庞元杰教授团队历时四年,以二氧化碳为原料高效制备醋酸,揭开了“零碳”制造梦想的一角,研究成果多项指标大幅打破世界纪录,相关成果5月3日刊发于《自然》杂志。
但他们的论文投稿也曾经历一波三折,被《科学》拒稿,转投《自然》,又在审稿专家要求下,将实验从15个小时跑到“疯狂”的820小时……
华中科技大学庞元杰教授正在配制催化剂浆料。班倩/摄
一个“零碳”制造的科学梦想
为什么“盯上”二氧化碳?庞元杰告诉《中国科学报》,工业革命以后,如何应对以二氧化碳为代表的温室气体排放是人类面临的一个棘手问题。以往一些研究者也开展过针对二氧化碳的利用,但大多是单向利用,比如汽水饮料中的二氧化碳,人喝下去后,打个嗝又释放出来,大多未能达到零排放和循环利用的目标。
能否以更先进技术电解二氧化碳,获得人类需要的生产生活资源,从而变废为宝、循环利用,真正实现“零碳”?怀着这个梦想,2018年回国后,庞元杰在过往研究的基础上,准备创新方法手段开展“零碳”制造技术研究。2019年,博士后金健加入该团队后,这项研究正式启动。
该团队以“零碳”制造为目标,从醋酸开始着手,使用清洁可再生电能不仅让生产醋酸的过程中不产生二氧化碳,还能够消耗二氧化碳制备醋酸。据介绍,醋酸,又名乙酸,是一种重要的有机化工原料,制造化纤衣物、香水香氛、塑料加工品等都需要大量使用这一原料。
传统方法生产醋酸通常采用化学合成或淀粉发酵法,用这些方法,“每生产1千克醋酸会排放约1.6千克二氧化碳”。我国作为全世界第一大醋酸生产国,醋酸年产量超过800万吨,给生态环境治理带来了很大压力。
庞元杰教授团队以醋酸为目标产物,联合多伦多大学E.H. Sargent小组、武汉理工大学麦立强小组,通过电催化二氧化碳还原技术,开展醋酸的“零碳”制造。
电催化二氧化碳还原技术是一种颇具潜力的清洁能源存储手段。但是在电解过程中,如何高选择性、高速地生产单一高附加值产物却是团队困扰已久的问题。电解水只可以获得氧气和氢气,电解二氧化碳却可以获得20余种产物。
“这项研究的一个难题就是在电解二氧化碳得到的20余种产物中,精准得到我们想要的东西。”庞元杰介绍,为了稳定醋酸的生成率,研究团队要解决的首要问题是反应装置的设计与搭建,其次是催化剂的选择。
该团队利用高压装置和催化剂上的创新,以电催化二氧化碳还原技术为基础,采用“两步法”二氧化碳还原途径,稳定住醋酸反应路径的关键中间基团,最终高产率合成了醋酸。
庞元杰教授团队现场操作高压强反应装置。班倩/摄
直面《自然》杂志给出的研究难题
为了稳定醋酸反应路径的关键中间基团,实现零碳制备目标,该团队自主发明了一套高压三相界面装置,并在此基础上开展了一系列艰苦研究。
“一开始就遇到很多困难。”团队成员金健告诉记者,因为这项技术的前期研究在国外,归国后庞元杰教授带领团队自主研发实验设备,把设备从常压版本升级为高压版本后,一直重复不了当时的数据。大家到处找原因,最后连“实验楼地线没有完全接地”之类的问题都摸排出来了。此外,选择合适的催化剂也是一个艰难的过程。
解决了上述所有问题,他们终于得到了“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”这一重要研究成果。其主要原理是使用二氧化碳和水为原料,生成乙酸这一种主要产物。
实验成功,团队成员都很兴奋,他们投稿给《科学》,却很快被拒稿了。2021年转投给《自然》杂志,审稿专家一针见血地提出问题:“实验稳定性不够。”彼时,他们的试验稳定时间仅为15个小时。
调整设备、优化催化剂选择、更加精细地进行实验,经过一系列努力,他们终于将稳定性提升至50小时,再次兴冲冲地投稿过去。然而,戏剧性的事又发生了。《自然》审稿专家回信认为,50小时还不够,因为相关领域科学家已经发表文章,能够连续500小时保持乙酸生成率50%以上了。
实验数据上的竞争对应着激烈的国际竞争。继续调整设备、优化催化剂选择、更加精细地进行实验,终于,该团队“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”实验连续稳定性突破了200小时。“不要停!”庞元杰叮嘱科研人员“一定要让设备继续跑下去!”
300小时、400小时、突破了500小时!“继续!”
刷新500小时的世界纪录后,团队成员更加视实验设备为珍宝。为了避免被人为中断,年轻的博士们在实验室门上注明:“正在进行重要实验,恳请暂缓其他实验。”为了防止大楼保安、保洁等人员误入,他们又小心地贴上告示:“正在进行重要实验,有事电话联系,15分钟内必到!”
终于,经历了一段时间的紧张运行后,该实验在“820小时”这一节点停了下来。庞元杰告诉记者:“停下来的原因不是实验本身的问题,而是一个柱塞泵滤网堵了,可能柱塞泵的制造厂商也没考虑到,居然需要让泵连续、高压运转那么久。”
在选择性、能量转化效率、稳定性上大幅刷新世界记录后,庞元杰团队终于在2023年春节前收到了《自然》的录用通知。
努力让二氧化碳得到更广泛的应用
“我记得很清楚,接到《自然》录用通知那天是腊月二十三,历经四年的煎熬,大家在春节前终于熬出来了!”庞元杰说,同行认可让他觉得自己多年的坚持是对的,没有辜负团队成员的信任。
执着于这项复杂研究的博士后金健,此前因为一直没有显著成果问世,已经连续两次延期出站,“即便耐得住寂寞,却也掩盖不住焦虑”。四年、上千个日夜的艰苦研究,终于有所回报。
“不仅是醋酸这类羧酸类化学品,烃类、醇类等重要化学品也有望实现‘零碳’制造。”谈及未来,庞元杰表示该团队将利用上述技术,让二氧化碳在医药、燃料、化工原料的生产过程中得到更广泛的应用。
他举例说,比如将太阳能发电板发出的电能转换为便于储存的燃料化学能,再将燃料化学能有序释放,实时满足生活和生产的各种用能需求。再比如,选用合适的催化剂进行乙醇(酒精)的生产,从而摆脱对以农作物为原料生产乙醇的依赖,减少对土地和粮食的资源消耗,使乙醇能够更大范围地应用于清洁能源。
相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05918-8
大家都在看
-
重大突破!创世界纪录! 9月22日是周日,安徽合肥西郊科学岛上的一个实验室内却十分热闹,轰鸣声从一个巨大的白色罐体传来,身着白大褂的科研人员紧盯着罐体上方的小屏幕。“40.99”“41.15”“42.02”,随着 世界记录09-23
-
超越美国,刷新世界纪录!重大技术突破+1 9月22日,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心自主研制的水冷磁体产生了42.02万高斯(即42.02特斯拉)的稳态磁场,打破了2017年由美国国家强磁场实验室水冷磁体产生的41.4万 世界记录09-23
-
中国科学院,创造一项新的世界纪录! 9月22日,中国科学院合肥物质科学研究院举行专题新闻发布会,宣布该院强磁场科学中心自主研制的水冷磁体已成功产生42.02万高斯的稳态磁场,创造了新的世界纪录,成为国际强磁场水冷磁 世界记录09-23
-
又一重大突破!刷新世界纪录 新华鲜报 | 相当于地球磁场80多万倍 我国创造世界水冷磁体技术新高峰9月22日是周日,安徽合肥西郊科学岛上的一个实验室内却十分热闹,轰鸣声从一个巨大的白色罐体传来,身着白大褂的 世界记录09-23
-
重大技术突破!超越美国,刷新世界纪录 ◎ 科技日报记者 洪敬谱22日,记者从中国科学院合肥物质科学研究院(以下简称中国科学院合肥物质院)获悉,中国科学院合肥物质院强磁场科学中心自主研制的水冷磁体产生了42.02万高斯 世界记录09-23
-
浙江14岁初中生,刷新吉尼斯世界纪录! 这个9月对于宁波余姚市陆埠镇初级中学初三学生戎志祥来说注定是意义非凡的年仅14岁的他竟然把跳绳玩到了世界级水平一分钟单摇382次刷新了“1分钟跳绳次数最多”吉尼斯世界纪录有意思 世界记录09-22
-
一分钟单摇382次!浙江14岁少年,刷新吉尼 一分钟单摇382次!近日,浙江宁波14岁的戎志祥同学 刷新了“1分钟跳绳次数最多”吉尼斯世界纪录 浙江14岁少年,刷新吉尼斯世界纪录! 世界记录09-22
-
一身绝活、九次刷新世界纪录!他说中国工人 21年前,53岁的许振超带领团队第一次打破集装箱装卸的世界纪录,创造了“振超效率”。2019年,振超团队以每小时514.7箱的效率,第九次刷新世界纪录,这个纪录至今无人打破。从一个只 世界记录09-21
-
浙江14岁少年,刷新吉尼斯世界纪录! 一分钟单摇382次近日,浙江宁波14岁的戎志祥同学刷新了“1分钟跳绳次数最多”吉尼斯世界纪录这项纪录曾由一名日本跳绳选手保持了10年直到去年被同校的16岁少年周琦大幅提升至374次一 世界记录09-21
-
谁剥夺了我最爱的东西?吉尼斯记录告诉你, 很多人可能都听说过,人生两大幸福:睡觉睡到自然醒,数钱数到手抽筋。能和拥有数不完的钱并列为两大幸福,可见睡眠好有多重要,但问题是:有人告诉你,你不配拥有!我是李将平老师, 世界记录09-20
相关文章
- 1分钟脚掷飞镖17个!无臂大哥创下第三项吉
- 不断刷新的世界纪录传递发展信心
- 被收入吉尼斯纪录的长廊彩画如何保护?颐和
- 田径各项目世界纪录,你难以想象人类可以跑
- 全球最离谱的十五大吉尼斯世界纪录,你敢挑
- 2012-2023年 我国共获得世界冠军1244个 创
- 2012-2023年,我国共获得世界冠军1244个,
- 新版吉尼斯世界纪录大全出炉
- 5 岁厦门少儿创最小年龄复原80款魔方WRCA世
- 厦门少儿获最小年龄复原80款魔方WRCA世界纪
- 凡尔赛!潘展乐晒收到100自世界纪录证书:这
- 日产汽车65米高空蹦极,获吉尼斯世界纪录
- 男子百米世界纪录变迁史,博尔特9.58这个记
- 8100架无人机挑战 “最多无人机同时飞行”
- 男子1500自世界纪录演变史:孙杨曾连续两年
- 潘展乐收到世界纪录证书 “这有什么介绍的
- 连破两项吉尼斯纪录,就在龙岗!
- 巴黎残奥还有1天闭幕,中国队破了多少世界
- 00后“无臂飞鱼”破世界纪录夺冠!他的故事
- 韩淼雨夺冠并创世界纪录
热门阅读
-
震惊世界的韩国演艺圈悲惨事件,31位明星8 05-05
-
史上最恶心的宴席:日本屎宴(少女现拉屎给 06-15
-
世界上最大的男性生殖器,奇人的丁丁长度达 07-10
-
美国史上最惨不忍睹的分尸案,黑色大丽花惨 04-25
-
十种最舒服的安乐死,千万不要尝试哦! 07-11
-
巩新亮整容前后差异大 网友直呼惨不忍睹 05-05
-
世界离婚率最低排名,这些国家对婚姻非常重 09-30
-
关于女人胸部的10个世界之最,最大的乳房重 07-10