大气中二氧化碳浓度不断增加，气候变化正成为全球关注的问题，需要全球努力减少二氧化碳排放。一种方法是在与氢气反应中使用二氧化碳作为碳源，其中氢气使用可再生能源从水中产生，并且反应合成甲醇。这将有助于减少二氧化碳排放并减少对化石燃料的依赖。

研究人员通过开发一种使用特定钯和铜配方的新催化剂，推进了将二氧化碳转化为甲醇的过程，甲醇中含有四份氢，一份氧和一份碳。最近在ACS催化中发表的理论和实验工作是多年来与中国大连理工大学合作，与宾夕法尼亚大学-大连能源研究联合中心合作进行的综合实验和计算研究的结果。宾大州-大连的合作研究发现了将两种金属结合起来作为催化剂的好处。

将二氧化碳转化为甲醇的关键因素是找到一种良好的催化剂，以便以高效率高选择性地生产甲醇。在钯-铜原子比为0.3至0.4的范围内，使用分散在增加催化剂表面积的多孔载体材料上的催化剂的纳米颗粒，使钯和铜的组合产生甲醇与二氧化碳的最有效转化。使用大小为核桃的催化剂，催化剂的内表面积将覆盖足球场的区域。

研究人员发现，使用两种金属的精确原子比，新配方比单独使用钯更多地将甲醇形成速度提高了三倍，比单独使用铜提高了四倍，这比以前的方法有了显着的改进。

研究所将这个过程比作催化剂表面捕鼠的过程。要进行转换，你需要二氧化碳-猫-和氢-鼠标。但是你需要为猫成功捕捉鼠标创造理想的条件。如果猫不能到达鼠标，或者条件减慢了它，猫的成功就会减少。

这是因为结合两种金属的催化剂不仅可以降低加速二氧化碳和氢气反应的能量需求，而且还可以改变反应途径以产生具有更高能量效率的更多所需产物。

“常规研究主要关注铜，但不能产生有效的结果，”宋说。“对于钯来说也是如此。但是将钯和铜结合在一起会产生一种独特的表面结构，显示出从二氧化碳中生成甲醇的特殊选择性。这项研究提供了对这两种金属一起使用的协同效应的基本见解。”

为了制造甲醇，研究人员将氢气和二氧化碳泵入装有催化剂的反应容器的密封室中，并将内容物加热到356和482华氏度之间。最大二氧化碳与甲醇的转化率约为24%，然而未转化的二氧化碳和氢气将在工业环境中再循环并返回容器，这与使用一氧化碳和氢气的常规甲醇合成中所做的非常相似。

二氧化碳加氢过程通过使用可再生能源分解水以产生氢气来工作，然后可再生能源与催化剂表面上的二氧化碳结合以产生甲醇。宋说，因为他们的催化剂鼓励高选择性，所以更大比例的产品用于制造甲醇。

甲醇用于制造许多材料和燃料，从粘合剂和胶合板底层地板到水瓶，抗皱衬衫和柴油燃料。它也是一种用于制造防冻剂，挡风玻璃清洗液，溶剂和其他产品的化学品。宋还通过宾夕法尼亚州立大学能源研究联合中心积极开发了将二氧化碳转化为许多工业上有用的化学品，燃料和塑料等材料的新催化剂。

宋说，使用可再生能源从二氧化碳中有效地生产燃料和工业化学品被认为是应对气候变化的圣杯，因为燃料甚至比碳中性或可再生燃料更好。该过程基本上将温室气体转化为燃烧时燃烧二氧化碳的燃料。当该过程与从环境中捕获二氧化碳结合时，相当于回收二氧化碳而不是产生或避免二氧化碳。

“我们目前的能源系统在很大程度上依赖于碳基化石能源，”宋说。“即使是可再生燃料，如生物质，沼气和有机废物，它们都是碳基的。但在未来，碳来自何处?如果我们开始使用二氧化碳中的碳，我们可以回收它，创造一个可持续的碳基能量循环，然后我们稳定大气中的二氧化碳浓度。这就是为什么我对此充满热情。