幾乎所有的化學品和燃料生產都依賴于催化劑，催化劑可以加速化學反應而不會在過程中被消耗,。大多數這些反應發(fā)生在巨大的反應器容器中,，可能需要高溫和高壓。

科學家們一直在研究用電而不是熱來驅動這些反應的替代方法,。這可能允許由可再生電力驅動的廉價,、高效、分布式制造,。

但是專注于這兩種方法（熱與電）的研究人員傾向于獨立工作,，開發(fā)適合其特定反應環(huán)境的不同類型的催化劑。

一項新的研究旨在改變這種狀況,。斯坦福大學和能源部 SLAC 國家加速器實驗室的科學家今天報告說,，他們已經制造出一種新的催化劑，既可以加熱也可以用電,。該催化劑以鎳原子為基礎,，加速將二氧化碳轉化為一氧化碳的反應，這是從 CO 2制造燃料和有用化學品的第一步,。

SLAC 和斯坦福大學教授,、SUNCAT 界面科學與催化研究所所長 Thomas Jaramillo 說，這些結果代表了統(tǒng)一理解在這兩種截然不同的條件下對催化反應的理解的重要一步,。

這在我們的領域是罕見的,，他說，事實上,，我們可以將它整合到一個框架中以研究相同的材料,，這使這項工作與眾不同，它開辟了一條以更廣泛的方式研究催化劑的全新途徑,。

研究小組說,，結果還解釋了新催化劑如何在電化學反應器中使用時更快地驅動這一關鍵反應,。他們的報告本周發(fā)表在Angewandte Chemie的印刷版上。

邁向可持續(xù)的化學未來

尋找將 CO 2轉化為化學品,、燃料和其他產品（從甲醇到塑料和合成天然氣）的方法是 SUNCAT 研究的重點,。如果大規(guī)模使用可再生能源，它可以為回收溫室氣體創(chuàng)造市場激勵,。這將需要新一代的催化劑和工藝,，以在工業(yè)規(guī)模上廉價有效地進行這些轉化——而實現這些發(fā)現將需要新的想法。

為了尋找一些新的方向,，SUNCAT組建了一個博士團隊,。斯坦福大學化學工程系三個研究小組的學生：來自Stacey Bent教授小組的Sindhu Nathan,，其研究重點是熱驅動催化反應,，以及由Jaramillo和Zhenan Bao教授共同指導并一直關注的David Koshy關于電化學反應。

Nathan 的工作旨在從基本的原子水平上理解熱驅動的催化反應,。

熱驅動反應是現在工業(yè)中常用的方法,，她說，對于某些反應,，熱驅動過程的實施將具有挑戰(zhàn)性,，因為它可能需要非常高的溫度和壓力才能進行所需的反應。

Koshy 說,，用電力驅動反應可以使一些轉換更有效率,，因為你不必加熱，而且你還可以使反應堆和其他組件更小,、更便宜,、更模塊化，而且這是一個很好的利用方式可再生資源,。

研究這兩種類型反應的科學家并行工作,，很少互動，因此他們沒有很多機會從彼此那里獲得可能有助于他們設計更有效催化劑的見解,。

但如果這兩個陣營可以在同一種催化劑上發(fā)揮作用,，它將為統(tǒng)一他們對兩種環(huán)境中反應機制的理解奠定基礎，Jaramillo 說,，我們有理論上的理由認為相同的催化劑在兩組反應條件下都能起作用,，但這個想法還沒有經過測試。

催化劑發(fā)現的新途徑

在他們的實驗中,，該團隊選擇了 Koshy 最近合成的一種名為 NiPACN 的催化劑,。催化劑的活性部分——它抓住通過的分子，讓它們反應并釋放產物的地方——由與散布在整個碳材料中的氮原子結合的單個鎳原子組成,。Koshy 的研究已經確定 NiPACN 可以高效地驅動某些電化學反應,。它可以在熱條件下做同樣的事情嗎,？

為了回答這個問題，該團隊將粉狀催化劑帶到了 SLAC 的斯坦福同步輻射光源 (SSRL),。他們與杰出的科學家西蒙·巴爾合作開發(fā)了一個微型反應器,，催化劑可以在高溫高壓下加速氫氣和二氧化碳之間的反應。該設置允許他們通過窗口將 X 射線照射到反應中并觀察反應進行,。

特別是,，他們想看看反應器內的惡劣條件是否會改變催化劑，因為它促進了氫氣和 CO 2之間的反應,。

人們可能會說,，你怎么知道原子結構沒有改變，這使得它與我們之前在電化學反應中測試的催化劑略有不同,？ 科希說,，我們必須證明，當反應完成時,，鎳反應中心看起來仍然相同,。

這正是他們在用 X 射線和透射電子顯微鏡檢查反應前后的原子細節(jié)時發(fā)現的。

研究小組寫道,，展望未來,，像這樣的研究對于統(tǒng)一跨反應環(huán)境的催化現象研究至關重要，這將最終推動發(fā)現用于改變燃料和化學工業(yè)的新催化劑的努力,。