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不得不說(shuō)， 塑料，是一種令人愛(ài)恨交加的原料。從19世紀(jì)發(fā)明家海厄特合成了 “賽璐珞”起，經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，物美價(jià)廉的塑料產(chǎn)品，早已遍布在每個(gè)人的日常生活之中。

然而，如同硬幣的正反面無(wú)法分開，塑料的污染現(xiàn)象也一直備受關(guān)注，英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》甚至曾把塑料評(píng)為“人類最糟糕的發(fā)明”。 為了減少污染，一方面科學(xué)家在研究各種塑料回收技術(shù)，但另一方面，塑料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也需要一場(chǎng)顛覆性的技術(shù)革新。

堆積如山的廢棄塑料瓶 |

塑料的種類雖然五花八門，但它們?cè)诒举|(zhì)上都是碳、氫等元素構(gòu)成的高分子化合物。 為了制造塑料，最重要的原料，就是石油?；S要先把買來(lái)的石油進(jìn)行裂解。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在高溫條件下將石油中的大分子打碎氧氣檢測(cè)儀，制成乙烯、丙烯等小分子，再進(jìn)行聚合，得到聚乙烯、聚丙烯等塑料材料。

大型聚乙烯制造工廠，是二氧化碳排放重災(zāi)區(qū) |

這套基于石油的化工工藝經(jīng)過(guò)數(shù)十年的打磨，已經(jīng)成為了整個(gè)塑料產(chǎn)業(yè)的根基。但是，問(wèn)題也出現(xiàn)了。

首先，裂解的原料是不可再生資源?，F(xiàn)在乙烯，人類每年消耗的石油中，有40%用來(lái)生產(chǎn)塑料。其次，整個(gè)工藝過(guò)程并不環(huán)保，不只是耗能巨大，還會(huì)有大量二氧化碳被放出。一般而言，每生產(chǎn)1噸塑料，要排放2.5噸二氧化碳。

那么，有沒(méi)有解決方法呢？

二氧化碳加水=塑料？

我們就以聚乙烯為例，來(lái)看看學(xué)者們?cè)谧鲋鯓拥呐Α?/p>

聚乙烯（PE）是世界上最常用的塑料之一，大量用于制造塑料袋等產(chǎn)品。而聚乙烯的單體就是乙烯（C2H4）。

為了生產(chǎn)乙烯，全球的化工廠每年要釋放2億噸的二氧化碳，占到了世界總排放的0.6%。

乙烯分子（左）與聚乙烯顆粒（右 |

要想擺脫這一困境，就要另辟蹊徑。有人提出， 能不能直接用二氧化碳來(lái)造乙烯？

對(duì)，你沒(méi)聽(tīng)錯(cuò)，就是用二氧化碳。

畢竟，把乙烯掰開，其實(shí)就是碳和氫這兩種元素。二氧化碳就有碳，而氫元素可從水中來(lái)。

“二氧化碳+水=乙烯”，這聽(tīng)起來(lái)如同煉金術(shù)般瘋狂的主意，卻并非來(lái)自胡思亂想。雖然從熱力學(xué)角度來(lái)看，二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯是一個(gè)非自發(fā)的過(guò)程。但只要我們提供足夠的能量，就能推動(dòng)這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行。

在各種能源形式中，人類用起來(lái)最得心應(yīng)手的無(wú)疑是電能。

早在1986 年就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在銅箔表面通電，可以把二氧化碳還原為乙烯。其中，銅箔起到了催化劑的作用，來(lái)降低整個(gè)反應(yīng)的難度。

即便有了銅催化劑，這種電化學(xué)方法的乙烯產(chǎn)量還是太少。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)中消耗的電力來(lái)說(shuō)，產(chǎn)物的價(jià)值實(shí)在是九牛一毛。后續(xù)的相關(guān)研究進(jìn)展也比較緩慢，主要的瓶頸是如何提升二氧化碳到乙烯的轉(zhuǎn)化效率。

二氧化碳在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)生成各種分子的示意圖（其中紅色是氧元素、灰色是碳元素、淡紅色代表金屬催化劑）| 作者供圖

近年來(lái)，塑料污染、溫室效應(yīng)等問(wèn)題愈發(fā)緊迫，為了降低大氣中的二氧化碳，以及尋找更環(huán)保的乙烯制備方法，越來(lái)越多的學(xué)者們參與到相關(guān)研究之中。于是，用電化學(xué)的方法來(lái)推動(dòng)二氧化碳到乙烯的轉(zhuǎn)變，成為了化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也隨之涌現(xiàn)出了很多極具潛力的研究成果。

2018年，加拿大的學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了一套反應(yīng)設(shè)備，其中的核心是一種多層次的納米結(jié)構(gòu)。他們?cè)谝环N布滿了納米孔的薄膜上，鍍上了一層25 納米厚的銅。這種納米級(jí)別的銅，具有很大的表面積，因此可以最大化地與二氧化碳接觸，充分發(fā)揮催化作用；而在其底層的多孔薄膜可以讓原料氣體和產(chǎn)物氣體快速進(jìn)出，防止它們?cè)诖呋瘎┍砻娑逊e阻塞。

多孔層與納米銅催化劑的工作示意圖 | 參考文獻(xiàn)[4]

經(jīng)過(guò)如此的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種裝置在70℃運(yùn)行時(shí)，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>乙烯的效率提高到70％，而且能穩(wěn)定工作150個(gè)小時(shí)。

雖然提升效果比較明顯，但這套裝置仍然有不少可以改進(jìn)之處，其中較為關(guān)鍵的有兩點(diǎn)。一是70%的轉(zhuǎn)換效率仍有提高空間。另一個(gè)則是裝置的運(yùn)行環(huán)境比較苛刻。為了充分發(fā)揮催化劑的能力，這個(gè)裝置在運(yùn)行時(shí)需要維持一個(gè)強(qiáng)堿性的環(huán)境。目前的方法是在裝置中加入大量的氫氧化鉀溶液。

但這種生產(chǎn)方法并不是十全十美。初中化學(xué)課上，我們就學(xué)到過(guò)，氫氧根離子會(huì)與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鹽。所以，在使用二氧化碳造乙烯的過(guò)程中，溶液中的氫氧根也在不斷被消耗，需要一直進(jìn)行補(bǔ)充。這不僅會(huì)增加規(guī)?；a(chǎn)的成本，高堿性的廢液如何處置也將是一個(gè)大問(wèn)題。

找不到催化劑？人工智能來(lái)幫忙

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員絞盡腦汁，試圖從兩個(gè)方向上解決。首先，是提高生產(chǎn)效率。在制造塑料的電化學(xué)反應(yīng)中有毒氣體檢測(cè)儀，金屬銅扮演了催化劑的角色，而為了提高制造效率，最直接的手段就是找到更高效的催化劑。

早期的測(cè)試分析顯示，金屬材料對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的催化能力較強(qiáng)。理論上，整個(gè)元素周期表中的金屬元素都有可能成為主角。當(dāng)然，由幾種金屬混合而成的合金材料也同樣具有潛力。這么一來(lái)，要想找到合適的催化劑乙烯，就要面對(duì)幾乎“無(wú)數(shù)種”的金屬元素排列組合。而傳統(tǒng)手段就只能一種接一種地嘗試，這無(wú)異于大海撈針。

好在，人工智能的發(fā)展，讓材料學(xué)家們有了一個(gè)得力的武器。

2020年，中、美、加三國(guó)學(xué)者聯(lián)手，通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析了1.6萬(wàn) 種候選材料，從中選出了最具潛力的還原二氧化碳催化劑。他們發(fā)現(xiàn)，只要在銅的基礎(chǔ)上引入鋁元素，做成銅鋁合金乙烯，就可以把二氧化碳的還原效率提升到80%。

使用人工智能方法分析不同成分的催化能力 | 參考文獻(xiàn)[5]

除了去找厲害的催化劑，另一種思路是設(shè)計(jì)更好的電化學(xué)反應(yīng)流程。比如，多倫多大學(xué)的化學(xué)家們，設(shè)計(jì)了一種兩步法的反應(yīng)。他們先使用一種叫做固態(tài)氧化物電池的裝置把二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，再把一氧化碳導(dǎo)流到另一個(gè)反應(yīng)裝置中，用一種能將一氧化碳還原成乙烯的催化劑進(jìn)行后續(xù)過(guò)程。一氧化碳不會(huì)與氫氧化物反應(yīng)生成碳酸鹽，這種串聯(lián)反應(yīng)器也不再需要堿性溶液，而且整體乙烯的轉(zhuǎn)化效率也維持在不錯(cuò)的水平，可以達(dá)到65％。

當(dāng)然，這些研究還停留在很早期的階段，說(shuō)不定哪天會(huì)出現(xiàn)更為高效、更為環(huán)保的二氧化碳制乙烯的方案，相當(dāng)值得期待！

點(diǎn)石成金不是夢(mèng)

不止有乙烯這種塑料單體，有了電化學(xué)方法的加持，以二氧化碳為原料，我們還能得到更多。

學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，將這種策略進(jìn)一步擴(kuò)展，通過(guò)使用不同的催化劑或者創(chuàng)造不同的反應(yīng)條件，還能把二氧化碳變成乙醇、甲醇、乙酸等等。此外，用電化學(xué)方法還能把水電解出氫氣，把氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)榘?，前者是最理想的清潔能源，后者是極重要的化工原料。

水、二氧化碳和氮?dú)鈴哪膩?lái)？到處都有?。≌麄€(gè)大氣層，整個(gè)太平洋，全可以成為原料產(chǎn)地。

用電化學(xué)技術(shù)串聯(lián)，可再生能源與工業(yè)制造就形成了一道完美閉環(huán) |

用這些近乎無(wú)限的原料，來(lái)生產(chǎn)具有價(jià)值的產(chǎn)品，這就是現(xiàn)代版的“點(diǎn)石成金”。

如果從一個(gè)更宏觀的視野來(lái)看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)隱藏在電化學(xué)背后的巨大價(jià)值。

人類社會(huì)的進(jìn)步，要依靠物質(zhì)的積累和能源的消耗。隨著風(fēng)能、核能、太陽(yáng)能這些技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我們的電力供給越來(lái)越富足了。而借由電化學(xué)的方法，我們可以把便宜的電利用起來(lái)，用電能推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)來(lái)制造產(chǎn)品。也就是說(shuō)，電化學(xué)在中間搭建了一座橋梁，我們把能源和物質(zhì)連起來(lái)了。

換句話說(shuō)，現(xiàn)在那些實(shí)驗(yàn)室中冒著泡的溶液和通著電的線路，也許會(huì)為人類創(chuàng)造一個(gè)無(wú)限可能的未來(lái)。

參考文獻(xiàn)

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