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不得不說， 塑料，是一種令人愛恨交加的原料。從19世紀發(fā)明家海厄特合成了 “賽璐珞”起，經(jīng)過百余年的發(fā)展，物美價廉的塑料產(chǎn)品，早已遍布在每個人的日常生活之中。

然而，如同硬幣的正反面無法分開，塑料的污染現(xiàn)象也一直備受關(guān)注，英國《衛(wèi)報》甚至曾把塑料評為“人類最糟糕的發(fā)明”。 為了減少污染，一方面科學家在研究各種塑料回收技術(shù)，但另一方面，塑料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也需要一場顛覆性的技術(shù)革新。

堆積如山的廢棄塑料瓶 |

塑料的種類雖然五花八門，但它們在本質(zhì)上都是碳、氫等元素構(gòu)成的高分子化合物。 為了制造塑料，最重要的原料，就是石油。化工廠要先把買來的石油進行裂解。簡單來說，就是在高溫條件下將石油中的大分子打碎氧氣檢測儀，制成乙烯、丙烯等小分子，再進行聚合，得到聚乙烯、聚丙烯等塑料材料。

大型聚乙烯制造工廠，是二氧化碳排放重災區(qū) |

這套基于石油的化工工藝經(jīng)過數(shù)十年的打磨，已經(jīng)成為了整個塑料產(chǎn)業(yè)的根基。但是，問題也出現(xiàn)了。

首先，裂解的原料是不可再生資源。現(xiàn)在乙烯，人類每年消耗的石油中，有40%用來生產(chǎn)塑料。其次，整個工藝過程并不環(huán)保，不只是耗能巨大，還會有大量二氧化碳被放出。一般而言，每生產(chǎn)1噸塑料，要排放2.5噸二氧化碳。

那么，有沒有解決方法呢？

二氧化碳加水=塑料？

我們就以聚乙烯為例，來看看學者們在做著怎樣的努力。

聚乙烯（PE）是世界上最常用的塑料之一，大量用于制造塑料袋等產(chǎn)品。而聚乙烯的單體就是乙烯（C2H4）。

為了生產(chǎn)乙烯，全球的化工廠每年要釋放2億噸的二氧化碳，占到了世界總排放的0.6%。

乙烯分子（左）與聚乙烯顆粒（右 |

要想擺脫這一困境，就要另辟蹊徑。有人提出， 能不能直接用二氧化碳來造乙烯？

對，你沒聽錯，就是用二氧化碳。

畢竟，把乙烯掰開，其實就是碳和氫這兩種元素。二氧化碳就有碳，而氫元素可從水中來。

“二氧化碳+水=乙烯”，這聽起來如同煉金術(shù)般瘋狂的主意，卻并非來自胡思亂想。雖然從熱力學角度來看，二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯是一個非自發(fā)的過程。但只要我們提供足夠的能量，就能推動這個反應進行。

在各種能源形式中，人類用起來最得心應手的無疑是電能。

早在1986 年就有學者發(fā)現(xiàn)，在銅箔表面通電，可以把二氧化碳還原為乙烯。其中，銅箔起到了催化劑的作用，來降低整個反應的難度。

即便有了銅催化劑，這種電化學方法的乙烯產(chǎn)量還是太少。相對于實驗中消耗的電力來說，產(chǎn)物的價值實在是九牛一毛。后續(xù)的相關(guān)研究進展也比較緩慢，主要的瓶頸是如何提升二氧化碳到乙烯的轉(zhuǎn)化效率。

二氧化碳在催化劑表面發(fā)生反應生成各種分子的示意圖（其中紅色是氧元素、灰色是碳元素、淡紅色代表金屬催化劑）| 作者供圖

近年來，塑料污染、溫室效應等問題愈發(fā)緊迫，為了降低大氣中的二氧化碳，以及尋找更環(huán)保的乙烯制備方法，越來越多的學者們參與到相關(guān)研究之中。于是，用電化學的方法來推動二氧化碳到乙烯的轉(zhuǎn)變，成為了化學領(lǐng)域的研究熱點，也隨之涌現(xiàn)出了很多極具潛力的研究成果。

2018年，加拿大的學者們設(shè)計了一套反應設(shè)備，其中的核心是一種多層次的納米結(jié)構(gòu)。他們在一種布滿了納米孔的薄膜上，鍍上了一層25 納米厚的銅。這種納米級別的銅，具有很大的表面積，因此可以最大化地與二氧化碳接觸，充分發(fā)揮催化作用；而在其底層的多孔薄膜可以讓原料氣體和產(chǎn)物氣體快速進出，防止它們在催化劑表面堆積阻塞。

多孔層與納米銅催化劑的工作示意圖 | 參考文獻[4]

經(jīng)過如此的優(yōu)化設(shè)計，這種裝置在70℃運行時，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>乙烯的效率提高到70％，而且能穩(wěn)定工作150個小時。

雖然提升效果比較明顯，但這套裝置仍然有不少可以改進之處，其中較為關(guān)鍵的有兩點。一是70%的轉(zhuǎn)換效率仍有提高空間。另一個則是裝置的運行環(huán)境比較苛刻。為了充分發(fā)揮催化劑的能力，這個裝置在運行時需要維持一個強堿性的環(huán)境。目前的方法是在裝置中加入大量的氫氧化鉀溶液。

但這種生產(chǎn)方法并不是十全十美。初中化學課上，我們就學到過，氫氧根離子會與二氧化碳發(fā)生反應，形成碳酸鹽。所以，在使用二氧化碳造乙烯的過程中，溶液中的氫氧根也在不斷被消耗，需要一直進行補充。這不僅會增加規(guī)?；a(chǎn)的成本，高堿性的廢液如何處置也將是一個大問題。

找不到催化劑？人工智能來幫忙

為了解決這個問題，研究人員絞盡腦汁，試圖從兩個方向上解決。首先，是提高生產(chǎn)效率。在制造塑料的電化學反應中有毒氣體檢測儀，金屬銅扮演了催化劑的角色，而為了提高制造效率，最直接的手段就是找到更高效的催化劑。

早期的測試分析顯示，金屬材料對電化學反應的催化能力較強。理論上，整個元素周期表中的金屬元素都有可能成為主角。當然，由幾種金屬混合而成的合金材料也同樣具有潛力。這么一來，要想找到合適的催化劑乙烯，就要面對幾乎“無數(shù)種”的金屬元素排列組合。而傳統(tǒng)手段就只能一種接一種地嘗試，這無異于大海撈針。

好在，人工智能的發(fā)展，讓材料學家們有了一個得力的武器。

2020年，中、美、加三國學者聯(lián)手，通過使用機器學習算法分析了1.6萬 種候選材料，從中選出了最具潛力的還原二氧化碳催化劑。他們發(fā)現(xiàn)，只要在銅的基礎(chǔ)上引入鋁元素，做成銅鋁合金乙烯，就可以把二氧化碳的還原效率提升到80%。

使用人工智能方法分析不同成分的催化能力 | 參考文獻[5]

除了去找厲害的催化劑，另一種思路是設(shè)計更好的電化學反應流程。比如，多倫多大學的化學家們，設(shè)計了一種兩步法的反應。他們先使用一種叫做固態(tài)氧化物電池的裝置把二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，再把一氧化碳導流到另一個反應裝置中，用一種能將一氧化碳還原成乙烯的催化劑進行后續(xù)過程。一氧化碳不會與氫氧化物反應生成碳酸鹽，這種串聯(lián)反應器也不再需要堿性溶液，而且整體乙烯的轉(zhuǎn)化效率也維持在不錯的水平，可以達到65％。

當然，這些研究還停留在很早期的階段，說不定哪天會出現(xiàn)更為高效、更為環(huán)保的二氧化碳制乙烯的方案，相當值得期待！

點石成金不是夢

不止有乙烯這種塑料單體，有了電化學方法的加持，以二氧化碳為原料，我們還能得到更多。

學者們發(fā)現(xiàn)，將這種策略進一步擴展，通過使用不同的催化劑或者創(chuàng)造不同的反應條件，還能把二氧化碳變成乙醇、甲醇、乙酸等等。此外，用電化學方法還能把水電解出氫氣，把氮氣轉(zhuǎn)變?yōu)榘?，前者是最理想的清潔能源，后者是極重要的化工原料。

水、二氧化碳和氮氣從哪來？到處都有?。≌麄€大氣層，整個太平洋，全可以成為原料產(chǎn)地。

用電化學技術(shù)串聯(lián)，可再生能源與工業(yè)制造就形成了一道完美閉環(huán) |

用這些近乎無限的原料，來生產(chǎn)具有價值的產(chǎn)品，這就是現(xiàn)代版的“點石成金”。

如果從一個更宏觀的視野來看，我們會發(fā)現(xiàn)隱藏在電化學背后的巨大價值。

人類社會的進步，要依靠物質(zhì)的積累和能源的消耗。隨著風能、核能、太陽能這些技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我們的電力供給越來越富足了。而借由電化學的方法，我們可以把便宜的電利用起來，用電能推動化學反應來制造產(chǎn)品。也就是說，電化學在中間搭建了一座橋梁，我們把能源和物質(zhì)連起來了。

換句話說，現(xiàn)在那些實驗室中冒著泡的溶液和通著電的線路，也許會為人類創(chuàng)造一個無限可能的未來。

參考文獻

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