H.E.L高压催化系统DigiCAT：探究高压催化作用中的实践

从实验室到绿色未来，催化剂的每一步突破都值得被看见

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在 H.E.L，我们对自主研发和制造的科研仪器及软件了如指掌。我们也能滔滔不绝地讲述它们如何提升实验室的效率、安全性与生产力。但和我们一样，您一定更关心：这些创新，究竟为现实世界的科学研究带来了哪些切实的改变？

这也正是我们为什么对弗吉尼亚理工大学的化学家团队充满期待。该团队由 Amanda Morris 博士领导，正在使用我们的高压催化系统 DigiCAT，探索创新的人工光合作用技术，将捕获的 CO₂ 转化为可用的塑料与燃料替代品。

感谢他们为我们带来了关于“催化在行动中”的精彩洞察。

本期亮点

- 催化剂也会让你意外

- 混合材料的精准测量

- 人工 vs. 自然光合作用

- 寻找合适的溶液

- 催化未来：更绿色的地球

l 催化剂也会让你意外

CO₂ 的分子稳定性，让将其转化为替代资源变得异常困难。我们需要一种催化剂，能更高效、更经济地将 CO₂ 转化为其他有用化学品。

现实是，分解 CO₂ 需要巨大的能量。

令人意外的是，目前最有效的 CO₂ 还原催化剂，竟然是金属铜。催化剂的一个重要特性是能够被反复使用，具备尽可能高的“转换数”（Turnover Number）。

工业催化剂的转换数需要达到百 万 级别才具备经济可行性。而 Morris 博士团队正在研发改进型催化剂，试图用分子结构替代金属铜，但目前转换数仅为几十。尽管如此，这种催化剂在其他方面的优势，仍让团队愿意坚持使用。

l 混合材料的精准测量

回到金属铜——虽然它在 CO₂ 还原中非常高效，但缺乏选择性，可能生成多达 32 种混合产物，给分离和纯化带来巨大工程难题。

Morris 博士的分子催化方法，虽然当前转换数不高，却能精准选择单一产物。

催化领域的一大挑战是：难以在反应过程中表征表面化学。反应发生在催化剂表面，可能涉及多个中间产物。能够探测表面分子化学的手段十分有限，而表面本身又是一个复杂环境。

铜金属的表面是异质的，不同原子与铜本体的结合方式不同，意味着它们的催化活性和路径也各不相同。因此，研究人员必须从原子层面理解包括铜在内的多相催化剂是如何工作的。这意味着，新催化剂的配方必须通过试验验证，而不能仅靠纸面设计。

Morris 团队使用的金属有机框架（MOFs） 是纳米颗粒-载体结构的分子等价物。铜纳米颗粒被铜原子节点取代，通过有机连接体（配体）连接，形成三维固态聚合物结构，显著提升了催化效率和稳定性。更重要的是，MOFs 可以通过离心从溶液中分离出来，兼具稳定性与选择性。

l 人工 vs. 自然光合作用

MOFs 在团队探索人工光合作用（将 CO₂ 转化为燃料）的过程中也发挥了巨大作用。

植物从水中获取电子，用于还原 CO₂，生成短期能量储存物质（如糖类）和长期结构成分，同时释放氧气。

在实验室中，通过去除电子来氧化水，传统分子催化剂通常在 30 分钟后失效。而 MOF 催化剂可稳定运行 6 小时以上，团队认为可能还能更久。

目前已有多种催化剂能通过化学过程生成高价值的一氧化碳（CO）。光合作用本质上正是将 CO₂ 转化为 CO，再进一步转化为碳水化合物。

但问题仍是选择性与效率：如何高效、高纯度地获得目标产物？

Morris 博士预测，最终可能不是单一催化剂，而是一组催化剂各司其职，类似植物通过多种蛋白质完成光合作用。这种方法有望从人工光合作用出发，生产出一系列高价值化合物。

l 寻找合适的溶液

关于人工光合作用的理想溶液，学术界众说纷纭。H.E.L 团队发现，水仍然是最 受 欢 迎的选择，结合 pH 值调节，可以获得多种可能结果。

- 碱性条件下，水氧化更容易。

- 酸性条件下，CO₂ 还原更容易，但也会引入不必要的副反应。

因此，团队更倾向于从纯水开始，先在纯净条件下验证可行性，再考虑酸碱调节。

在常压下，CO₂ 在水中的溶解度很低。为此，团队常使用加压系统提高 CO₂ 溶解量。通常情况下，室温或尽可能低的温度是首 选，最高温度控制在 60℃ 左右，同时密切监测压力变化。

l 催化未来：更绿色的地球

利用催化剂还原 CO₂ 的前景广阔，但每一步进展都来之不易。科学界期待未来能实现单一催化剂完成所有反应步骤。在此之前，研究人员已经能够通过“级联催化系统”将多个催化剂串联，实现更优的最终产物。

挑战在于：并非所有催化剂的工作条件都相同，如何统一它们仍是一个难题。

* Amanda Morris 博士是弗吉尼亚理工大学化学系副主任、教授，也是 Patricia Caldwell 学院研究员。