作者:甘晓 李丹 来源:中国科学报 发布时间:2022/3/8 9:28:32
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“美帅酷飒”!绿色化学“她力量”

 

二氧化碳的化学转化作为一种合理利用碳资源、实现碳循环的重要途径,受到全球科学家的高度关注。在化学家看来,碳原子与氧原子相连形成的“碳-氧键”能量过高,成为二氧化碳转化的掣肘,也是绿色化学领域的难题之一。

日前,中国科学院化学研究所(以下简称化学所)研究员张建玲等研究人员采用了一种有“离子液体”参与的新策略,提升了二氧化碳电还原为乙烯的效率。这项工作近期在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上线。

值得注意的是,张建玲所在的化学所胶体、界面与化学热力学实验室有一支以女研究员为主的研究队伍,硬核“围攻”可再生资源转化中的难题,成为绿色化学领域中一股特别的“她”力量。

化学所胶体、界面与化学热力学实验室一支以女研究员为主的研究队伍合影(化学所供图)

“离子液体”立功

二氧化碳经由电化学反应制备乙烯,近年来成为绿色化学领域的研究热点。实验室中,科学家利用电解池装置在阴极通入二氧化碳制得乙烯等还原产物。

不过,这一反应中乙烯的选择性不高成为科学家面临的共同难题。“铜基催化剂具有独特的优势,但乙烯的高选择性仍受到限制,反应还会生成一氧化碳、甲烷等产物,制备乙烯的效率亟待提高。”张建玲告诉《中国科学报》记者。

这主要是由于二氧化碳的化学性质稳定,特别是其中的“碳-氧键”键能高,其活化转化较为困难。也就是说,需要较高的能量去破坏碳原子与氧原子的连接,让它与氧原子“分手”转而与碳原子、氢原子“牵手”。

为此,张建玲用上了“离子液体”,这是一种完全由离子组成的液体。最新发表的研究中,研究人员将离子液体负载在铜基电极材料上,实现了高效二氧化碳电化学还原制备乙烯。

进一步实验和理论研究表明,通过离子液体与铜原子之间的相互作用,优化了铜的局域配位环境,使得活性中间体*CO 进行二聚反应所需的能量降低,从而更加有利于乙烯生成。

论文写道:“在水基电解质和常用的H型电解池中,-1.49 V 电压下,乙烯法拉第效率达到77.3%。”而对于没有离子液体负载的铜基电极材料来说,相同条件下的乙烯法拉第效率仅为31.2%。

研究人员将离子液体负载在铜基电极材料上,实现了高效二氧化碳电化学还原制备乙烯(张建玲研究团队供图)

不过,张建玲坦承,本次发表的实验结果仅仅代表在实验室走出了第一步,在选择性、电流密度、稳定性等方面距离工业应用还有很长的路要走。

张建玲

个个都“能打”

张建玲不是一个人在战斗,她和实验室的几位女同事先后师从中国科学院院士韩布兴,组成硬核“女团”,联手“围攻”包括二氧化碳、生物质等在内的可再生资源化学转化问题,取得的系列成果频登高水平期刊。

她们个个都很“能打”,科研实力“美帅酷飒”。研究员刘志敏是团队的绝对主力,她长期致力绿色溶剂设计、性质及其调控催化可再生碳资源化学转化研究,发表过300多篇论文。近期,她带领的课题组发现了离子液体阴、阳离子氢键对醇类物质氢氧键和碳氧键的协同活化新机制,首次提出了氢键催化醇类物质脱水制备醚类化合物的绿色方法,登上《科学进展》(Science Advances)。

刘志敏告诉《中国科学报》:“基于生物质的醇类化合物是丰富的可再生碳资源,同行们认为我们发表的研究是与现有酸催化并行的新路线,具有光明的应用前景。”

2022年初,刘志敏与同事们获得国家自然科学基金创新研究群体项目“绿色溶剂体系设计、性质与功能”支持,开启她们科研之路的新征程。“我们将充分利用绿色溶剂特性进行可再生碳资源的资源化转化研究,为实现双碳目标贡献力量。”她表示。

刘志敏

研究员刘会贞将研究对象锁定在生物质平台分子之一5-羟甲基糠醛上。最近,科研人员同样基于“碳-氧键”活化,实现了在温和条件下用5-羟甲基糠醛选择性加氢制备5-甲基糠醛和2,5-二甲基呋喃,这两种化合物都是重要的、潜在的有机合成中间体。研究成果分别先后发表在《自然-通讯》(Nature Communications)和由中国科学院青年创新促进会和Cell出版社合办的综合性英文期刊《创新》(The Innovation)上。

刘会贞表示,“C-O键选择性活化是5-羟甲基糠醛催化转化过程中的核心科学问题。我们的工作不仅为生物质转化提供了新的反应路线,更为化学键的定向活化提供了新方法”。

刘会贞

此外,研究员朱庆宫也致力于电化学和绿色化学方面的交叉研究工作,发展了一些电催化二氧化碳与水反应制备重要化学品和燃料的新方法。

绿色化学领域内的专家看来,“女团”成员上述的研究采用了不同的策略,构建新体系、建立新方法、发展新反应,结合先进的研究手段,围绕碳-氧键活化转化,开展了原创性、系统性的工作。

美丽坚韧的“担当”

每个“女团”通常都有各种角色“担当”,绿色化学的“女团”里也一样。“张老师是‘穿搭’担当,好看的衣服都领着我买。”采访中,刘会贞拍了拍张建玲的肩膀直言。

“80后”的刘会贞最年轻,在“70后”张建玲和“60后”刘志敏面前,算得上是“年龄”担当。但年轻也有年轻的烦恼,她说:“我2015年回国,工作上、生活上都会有很多困难。”于是,“经验”担当刘志敏、张建玲成了她的知心姐姐,无论什么困难都倾力相助,连孩子都帮她带过。

总之,工作中互相支持,生活上彼此关照,她们躬身践行着化学所“创新、求是、团结、奉献”的所风所训和实验室“绿色、敬业、创新、和谐”的室风室训。

鉴于她们在科研中的突出表现,刘志敏、张建玲曾先后获得中国科学院“巾帼建功”先进个人,“绿色溶剂性质与应用研究团队”也获第十六届中国青年女科学家奖团队奖,入选科技部创新人才推进计划重点领域“可再生碳资源清洁高效转化”创新团队。她们表示:“作为‘国家队’‘国家人’,我们始终心系‘国家事’、肩扛‘国家责’。”

当然,对于职业女性而言,如何平衡工作和生活是一个永恒的话题。在她们看来,新时代的女性科学家不止要接受勇攀高峰的挑战,也要以健康美丽、知性优雅展现时代风貌。“工作和生活兼顾,做美丽、坚韧的新时代职业女性。”刘志敏强调。

有趣的是,在母亲的角色里,她们从不“鸡娃”,而是让孩子们看到她们“鸡自己”后,激发出学习的内在动力。“亲测有效。”谈到各自已经长大的女儿,刘志敏和张建玲都很自豪。而刘会贞4岁的儿子因为长期被“扔”在实验室已经可以熟背元素周期表,在化学所被传为一段佳话。

相关论文信息:

1、https://doi.org/10.1002/ange.202200039

2、https://doi.org/10.1126/sciadv.abg0396

3、https://doi.org/10.1038/s41467-020-20878-7

4、https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100189

 
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