在全球气候变化形势日益严峻的当下，减少温室气体排放并探索可持续的能源解决方案已成为全球科研界的共同目标。近日，新加坡国立大学化学与生物分子工程系 (Department of Chemical and Biomolecular Engineering, NUS ChBE) 林彦玮 (Yanwei Lum) 助理教授领导的研究团队在CO₂转化领域取得了突破性进展，为开发更高效、更环保的催化剂提供了坚实的理论基础，相关成果已发表在国际顶级期刊《自然化学》(Nature Chemistry) 上。（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01721-8）

挑战传统认知，揭示氢转移的关键机制

长期以来，将二氧化碳 (CO₂) 这一主要的温室气体转化为有用燃料和化学品的技术备受关注。研究团队探究了CO₂电化学还原过程中的氢转移反应机制，这是将CO₂转化为乙醇(ethanol) 和乙烯 (ethylene) 等有价值产物的关键步骤。传统观点普遍认为，直接从溶剂水中进行质子耦合电子转移的“Eley–Rideal机制”（E-R机制）是主要的氢化转移途径。然而，林彦玮助理教授团队通过研究发现，氢原子首先吸附在铜催化剂表面的“Langmuir-Hinshelwood机制”（L-H机制）在整个氢化过程中扮演着远比预期更重要的角色。

研究团队在正常水与重水 (H₂O-D₂O) 混合溶液中进行了铜催化下的CO₂还原反应，通过分析氘 (D) 在最终产物中的分布，成功证明了L–H机制很可能是占主导地位的氢化途径。基于这些实验数据，研究人员还首次定量估算了两种机制对六种重要CO₂还原产物形成的贡献程度。

为了进一步揭示CO₂还原过程中的关键步骤和机制，研究团队利用计算机模拟技术进行了深入研究。结果显示，碳-氢 (C-H) 键的形成主要由L–H机制控制，而氧-氢 (O-H) 键的形成则主要受E–R机制支配。这为理论建模和电催化剂设计提供了全新视角，有助于科研人员更准确地预测和优化CO₂转化过程。

CO₂还原机制选择影响最终产物

氢转移的途径直接影响最终产物的类型，这一发现具有重要意义。研究表明，通过铜表面与碳原子相互作用的氢有助于形成乙醇等高价值燃料和化学品基础原料；而基于水的氢转移在断裂氧键时发挥更大作用，影响乙烯等其他化学品的生成。

参与研究的博士生Zhang Jiguang表示：

“了解CO₂转化过程中氢的转移方式，我们可以更好地控制这一过程并提高其效率，进而设计更有效的催化剂，实现更清洁、更节能的CO₂循环利用。”

▲ 研究人员表示，最新研究成果有助于设计更有效的催化剂，实现更清洁、更节能的CO₂循环利用。

应对气候变化的可持续解决方案

二氧化碳排放是气候变化的主要驱动因素之一，能够将这种温室气体回收利用的技术不仅有助于减少排放，还为化石燃料提供了替代品。通过精细调整氢转移过程，研究人员希望最大限度地提高特定高价值燃料的产量，同时减少废物和能源消耗。

林彦玮助理教授指出：

“这项研究使我们离将CO₂从有害污染物转变为宝贵资源的目标更近了一步。它为清洁能源和应对全球减碳挑战提供了一种更可持续的解决方案。”

林彦玮助理教授团队研究揭示的机制对CO₂还原途径的理论建模和电催化剂设计提出了重要考量，更清楚地解释了氢原子在二氧化碳转化过程中如何与碳结合，生成乙醇和乙烯等分子的关键步骤，为未来开发更高效、更优选择性的二氧化碳转化技术铺平了道路。