韩国科学家在Nature发表论文宣布将 CO₂ 转化为“液态黄金”

在应对全球气候变化和实现碳中和目标的紧迫压力下，如何高效地将温室气体二氧化碳（CO₂）转化为高价值化学品，已成为决定未来能源格局的关键科学挑战之一。

近日，韩国光州科学技术研究所（GIST）的一个研究团队在这一领域取得了重大突破。他们开发出一种全新的电化学催化体系，不仅能够以前所未有的效率，将CO₂直接转化为一种高价值的三碳（C3）液态化合物——烯丙醇，这种化合物也被业内称为宝贵的“液态黄金”，更重要的是，他们在此过程中发现了一条全新的化学反应路径。

这一发表于国际顶尖期刊《自然-催化》的成果，将同类技术的转化效率世界纪录提升了整整四倍，并首次证实了将CO₂“升级再造”为复杂、易于储存和运输的液体化学品的可行性，为构建真正经济可行的循环碳经济铺平了一条全新的道路。

长期以来，通过电化学还原技术将CO₂变废为宝的尝试，一直面临着一个核心瓶颈：选择性。虽然将CO₂转化为甲烷（C1）或乙烯（C2）等简单的单碳或双碳分子已相对成熟，但要精确地、高效地合成含有三个或更多碳原子的复杂化合物（C3+），其难度呈指数级增长。这背后的挑战在于，形成多个碳-碳（C-C）键的过程，在能量上要求苛刻，且极易产生大量不必要的副产品。在此之前，将CO₂转化为烯丙醇等C3+化合物的“法拉第效率”——即投入的电能中，真正用于生成目标产物的比例——始终低于15%，这意味着超过85%的能量都被浪费掉了，这使得该技术路线在经济上毫无吸引力。

由Jaeyoung Lee教授、Minjun Choi博士和Sooan Bae博士领导的GIST团队，通过设计一种新颖的催化剂，从根本上解决了这一难题。他们创造性地将磷化铜（CuP₂）与镍铁（NiFe）氧化助催化剂相结合，构建出一种独特的富磷铜催化剂体系。当应用于膜电极组件中进行CO₂电解时，这种新型催化剂展现出了惊人的选择性。实验结果显示，其将CO₂转化为烯丙醇的法拉第效率高达66.9%，是此前世界纪录的四倍有余。同时，该技术的反应速率（以部分电流密度衡量）也达到了创纪录的735.4 mA/cm²，这一指标直接反映了其具备在大规模工业生产中应用的巨大潜力。

更具深远科学意义的是，该团队揭示了这一高效转化过程背后潜藏的全新化学机理。传统的C-C键形成，通常被认为是通过一氧化碳（CO）作为关键中间体来完成的。然而，GIST团队的研究发现，在他们的新体系中，碳-碳键的形成，发生在一个完全不同的阶段——即在甲酸盐中间体向甲醛转化的过程中。这一发现，不仅为催化化学领域的基础理论，特别是C-C偶联反应，提供了全新的认知，也正是其能够高效、精准地生成烯丙醇的关键所在。此外，该反应路径直接产出液态的烯丙醇，相比于难以储存和运输的气态产物，其商业价值和应用便利性也大大提高。

这项技术的突破，其影响将是产业级的。烯丙醇本身是一种用途极其广泛的平台化学品，是生产塑料、粘合剂、消毒剂、香料和多种药物的必需原材料。一种能够利用废弃的CO₂作为原料，低成本、大规模生产“液态黄金”的新技术，有望重塑整个化工产业的格局。“这项CO₂转化技术，可以为面临越来越大减排压力的煤炭、石化和钢铁等行业开辟新的业务方向，”Lee教授强调，“我们认为它是通过可扩展的科学技术，迈向碳中和时代的关键垫脚石。”

尽管距离这项技术从实验室走向大规模的工业化应用仍有一段路要走，例如需要进一步将其整合到连续流动的反应系统中。但毫无疑问，GIST团队的这项工作，已经成功地将“CO₂价值化”的边界，从简单的低碳分子，拓展到了更复杂、价值更高的液态化学品领域。它以确凿的实验数据证明，将我们这个时代最大的环境负债——二氧化碳，转化为驱动未来绿色经济的宝贵资产，不仅是可能的，而且在经济上也正变得越来越可行。