辛辛那提大学化学工程专业的学生张天宇（音译）拿着一小瓶石墨烯，这是将二氧化碳转化为甲烷的催化剂。图片来源：Andrew Higley

中美科学家合作开发出一种将温室气体转化为燃料的新方法，他们的目标是以此应对气候变化，并让宇航员从火星返回地球。相关成果近日发表于《自然—通讯》。

上海大学纳米化学与生物学研究所副研究员王亮、华东理工大学化学与分子工程学院特聘研究员练成和辛辛那提大学化学与环境工程学院的吴敬杰（音译）课题组在反应器中使用一种碳催化剂，将二氧化碳转化为甲烷。

这一过程被称为“萨巴蒂尔反应”（以已故法国化学家保罗·萨巴蒂尔名字命名），国际空间站用来清除宇航员呼出空气中的二氧化碳，并产生火箭燃料，使空间站保持在高轨道上。

但吴敬杰的心思要大得多。火星大气层几乎完全由二氧化碳组成。在他看来，宇航员一旦到达火星，就可以制造他们在火星上需要的东西，这样可以节省一半返程所需的燃料。“这就像火星上的加油站，可以很容易地将二氧化碳泵入这个反应器，为火箭生产甲烷。”

吴敬杰的化学工程生涯始于研究电动汽车的燃料电池，但大约10年前，他开始研究二氧化碳转化。“温室气体对社会的可持续发展是一个大问题，所以我们需要实现碳中和。”吴敬杰说。

一个实验反应器使用石墨烯量子点作为催化剂，将二氧化碳转化为甲烷。图片来源：Andrew Higley

不同国家都制定了碳中和目标。“这意味着我们必须回收二氧化碳。”吴敬杰说，他和学生、论文第一作者、加州大学博士候选人张天宇正在实验不同的催化剂，如石墨烯量子点——只有纳米大小的碳层，可以增加甲烷的产量。

吴敬杰说，这一进程有望帮助缓解气候变化。但它在副产品燃料生产方面也有很大的商业优势。“与10年前相比，这个过程的生产力提高了100倍。所以你可以想象，进步会越来越快。”他说，“在未来10年里，会有很多初创公司将这项技术商业化。”

吴敬杰团队不仅使用不同的催化剂来生产甲烷，还有乙烯。乙烯被称为世界上最重要的化学物质，用于制造塑料、橡胶、合成服装和其他产品。这一过程可高效地用于产生大量二氧化碳的发电厂和任何其他产生多余二氧化碳的地方。

“绿色能源将非常重要，未来它将代表一个巨大的市场。”吴敬杰说，当结合太阳能或风能等可再生能源时，用二氧化碳合成燃料在商业上变得更加可行。“现在我们有多余的绿色能源被丢掉，我们可以将这些多余的可再生能源储存在化学品中。”

利用二氧化碳生产燃料的进步使吴敬杰对在有生之年看到人类踏上火星抱有信心。“现在，如果你想从火星回来，需要带两倍多的燃料，这非常重。”他说，“未来将需要其他燃料。我们可以从二氧化碳中生产甲醇并用它们来生产其他下游物质。也许有一天，我们可以在火星上生活。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25640-1