科技日报记者 刘霞
新加坡国立大学科学家在铜催化剂上涂覆了一层厚度仅2至5纳米的生物聚合物薄膜，从而使二氧化碳转化为乙烯等高价值燃料的过程变得更加高效、环保。相关论文发表于新一期《自然·能源》杂志。
电化学二氧化碳还原，是指利用电能将二氧化碳转化为富含碳的高附加值化学品或燃料（如乙醇、乙烯）的过程。它既是实现碳中和的关键技术，也有助于可再生能源的存储。铜是目前最常见、最有效的催化剂。
然而，要让铜主要生成多碳产物而非简单的氢气，必须精细调控催化剂表面的化学环境，通常需要添加Nafion等全氟和多氟烷基物质。但添加的这种物质是一种“永久性化学物质”，与免疫力下降、某些癌症风险增加等健康问题相关。
最新研究证明，这些来自海鲜壳、木材等生物废物的生物聚合物涂层通过一种截然不同的机制，达到了同样效果。借助先进的光谱技术和计算模型，团队发现涂层能将二氧化碳富集在催化剂表面，限制水的运动以抑制副反应，同时促进离子高效传输。这些因素共同抑制了氢气的生成，转而有利于乙烯、乙醇等高价值产物的形成。
团队表示，这项研究不仅展示了改善电化学二氧化碳还原的新途径，还表明，那些依赖永久性化学物质的技术，有望被来源于海鲜壳、昆虫外骨骼、木材或枯叶的纤维素、甲壳素和壳聚糖所取代。
实验结果显示，采用新型纤维素涂层后，在1.6安培/平方厘米的电流密度下，多碳产物的产率高达95%；即使在2.2安培/平方厘米的高电流密度下（反应速度更快，但副产物氢气也会增多），多碳产物的产率仍能保持在83%。这说明生物聚合物涂层在工业级苛刻条件下依然表现出色。
此外，生物聚合物完全可替代Nafion。按重量计算，优质壳聚糖的价格仅为Nafion的千分之一。若将该技术规模化，有望大幅节约成本。
