伴随全球的化石燃料消耗和二氧化碳排放逐年上升，能源危机和环境污染问题日益加剧，如何将二氧化碳或一氧化碳转化为节能燃料和高附加值化学品正受到越来越多研究人员的关注，乙醇（俗称“酒精”）就是目标产物之一。
近日，新太阳城(中国)官方网站化学化工学院李军教授课题组在电催化一氧化碳还原合成乙醇方面取得重要进展，相关研究成果发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。本工作在李军教授和彭丽副教授共同指导下完成，化学化工学院科研助理马贵峰为文章第一作者。
一款可靠的“导向控制器”
电催化一氧化碳还原并不是什么技术难题，但要精准还原生成特定的目标产物却不是一件易事——一氧化碳在电催化反应后会生成甲烷、乙烯、乙酸、乙醇等多种物质，非常繁杂，而且产量低。
如何设计一款可靠的“导向控制器”，让化学反应路径朝着生成乙醇的方向进行，成为解决问题的关键。
我校李军教授课题组在经过大量筛选与反复实验测试后，给出了一个“高分”答案。
正丁胺修饰的Cu/Cu2O催化剂示意图
据悉，研究团队构筑了一种正丁胺修饰的Cu/Cu2O催化剂。这种催化剂可以通过正丁胺的修饰调节其表界面结构，对一氧化碳电还原生成双碳/多碳产物表现出良好的选择性，其中，生成乙醇的选择性尤为突出。
这种催化剂为电催化还原反应提供了一种合适的疏水环境，可以有效降低电极对水的亲和性，并促进一氧化碳的扩散、提升一氧化碳与电极表面的亲和能力。这意味着，在电催化还原反应的过程中，水分子受到排斥，只能乖乖地为一氧化碳“让路”，使得一氧化碳可以大量吸附在电极表面，大幅提高局部的一氧化碳浓度，为充分的电催化还原反应创造条件。
68.8%！性能优异！
事实上，国际上不少学界同行都在研究通过电催化一氧化碳还原合成乙醇，而且也已经取得了一定进展，但是法拉第效率（实际生成物和理论生成物的百分比，即还原生成效率）及其对应的分电流密度（电极单位面积所通过的电流强度）却始终不尽如人意——虽然有报道法拉第效率达到90%以上，但分电流密度超出1mA cm-2，该效率会大大下降。
而业内有一个共识：要实现工业化生产，分电流密度必须大于100mA cm-2。
这次，李军教授团队成功突破了这个瓶颈——在电位为-0.70 V vs. RHE时，电催化一氧化碳还原生成双碳/多碳产物的法拉第效率为93.5%，分电流密度为151 mA cm-2。其中，生成乙醇的分电流密度为111 mA cm-2，法拉第效率达到68.8 %！
68.8 %，这个数字虽然乍看一般般，但已经是现阶段学界在分电流密度超过100mA cm-2的条件下达到的优异结果。
而且，李军教授团队研制的这款催化剂不仅高效，性能也十分稳定。
经测试，这款催化剂能够在稳定工作100小时的同时，依旧保持稳定的产物选择性。这无疑为高效催化转化一氧化碳制备乙醇乃至未来的工业化生产提供了一种可能的解决方案。
十年磨一剑
这是马贵峰自2013年从化学化工学院毕业并进入李军教授课题组工作以来，首次以第一作者身份在顶尖学术期刊上发表论文。
“最初的灵感来自我们学院的一位大师姐。”马贵峰说。大师姐受邀返回母校化学报告厅作学术讲座，马贵峰从中受到启发悟出了使用正丁胺修饰催化剂的方法。
求知若渴、行稳致远，这是马贵峰工作至今的写照。
马贵峰在实验室工作中
十年来，马贵峰一直保持着对新事物的旺盛好奇心以及对科研工作的热情——每周一到周末，只要没有特殊情况，他都会坚持到实验室，查文献、做实验、测数据；紧跟学术前沿的他，从来不错过二十多个顶级学术期刊的发布时间，并且喜欢把感兴趣的电子版论文打印出来，在上面写写画画做笔记，十年时间下来，笔记堆满了好几个纸箱……
“李军老师经常教导我们，做科研一定要心如止水，坐得住冷板凳，不能浮躁。”工作至今，马贵峰一直身体力行地践行着这句话。
下一步，李军教授课题组将在现有工作基础上，把一氧化碳由常压变为高压，尝试解锁更高的法拉第效率和分电流密度；同时，进一步优化催化剂，探索生成能量密度比乙醇还高的正丙醇。
（文/曹京柱 图/受访者提供）
