NUS設計與工程學院化學與生物分子工程系助理教授林彥瑋領導團隊，在《Nature Communications》開發了一項革命性技術。能夠高效地將煙道氣中的二氧化碳轉化為高價值化學品，有助於緩解全球暖化問題。
▲第一作者：汪猛（新加坡國立大學化學與生物分子工程系）
通訊作者：Yanwei Lum，Bingqing Wang
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45527-1
新加坡國立大學的研究團隊，研發出一項突破性的技術，能高效轉化煙道氣中的二氧化碳為高價值化學物質，可進一步加工製成塑料和清潔劑等產品。這既能緩解全球暖化問題，也可實現經濟效益。
碳捕獲、利用和封存，是緩解全球暖化的方案之一。其中，這套方案利用的化學反應，包括二氧化碳電化學還原（electrochemical reduction）反應，也就是利用電能，把二氧化碳轉化為還原性更強的化學物質。
煙道氣指的是通過煙道排出到大氣中的燃燒廢氣。從煙道氣把二氧化碳轉化為高價值化學物質的效率，取決於二氧化碳的純度；二氧化碳越純，效率越高。
煙道氣的二氧化碳濃度較低，並存在氧等雜質，會引發副化學反應，進一步降低二氧化碳還原效率。
新加坡國立大學設計與工程學院化學與生物分子工程系助理教授林彥瑋（右起）、博士生汪猛、研究員王兵慶博士研發一種突破性科技，能把煙道氣二氧化碳直接轉化為高值化學物。林彥瑋和汪猛手中拿著的是用於轉化二氧化碳的反應器，王兵慶則拿著含有乙醇的電解質，來源：聯合早報
因此，在轉化煙道氣的二氧化碳前，往往得先經過高度凈化，但所需成本和能源消耗都相當高，每公噸二氧化碳的凈化成本，可達70美元至100美元（約94新元至134新元）。
以生產乙烯（ethylene）為例，凈化二氧化碳的成本，約占總生產成本的三成。
為解決這個問題，國大團隊開發新技術，在銅表面附著鎳催化劑（nickel catalyst），並結合酸性電解質。這個反應器能顯著抑制煙氣中氧雜質引起的副反應，使得煙道氣中的二氧化碳轉化效率，接近於純二氧化碳的水平。
這項技術不僅省去了對二氧化碳的凈化步驟，還可直接將煙道氣中的二氧化碳，轉化成乙烯和乙醇（ethanol）等高價值多碳（C2+）化學物。這些化學原料可進一步製成塑料和清潔劑等。
值得一提的是，這項技術具有靈活性，可根據生產需求調整，把二氧化碳轉化成醋酸鹽（acetate）和丙醇（propanol）。這些化學物經過加工，可用於生產粘合劑和清潔劑等產品。
實驗室一周轉化35克二氧化碳
國大設計與工程學院化學與生物分子工程系助理教授林彥瑋（36歲）是項目首席研究員。他說，實驗室規模的反應器面積為五平方厘米，在低運轉模式下，每天可轉化約五克的二氧化碳，一周可轉化35克。
助理教授林彥瑋，來源：NUS
「如果反應器面積擴大至100平方厘米，在低運作模式下，一周能轉化700克二氧化碳。反應器還可堆疊，10個反應器堆疊在一起，每周可轉化七公斤的二氧化碳。」
延長反應器使用壽命是挑戰之一
研究團隊目前要克服的挑戰之一，是延長反應器的使用壽命，因為反應器持續運作七天後，一些部件會逐漸分解。
此外，由於反應器須用到大量電力，也會產生熱能，當技術規模擴大並部署在工業環境中，如何排熱將是一大問題。
因此，研究團隊希望與業者合作，探討如何優化技術，並擴大部署規模。目前，有日本和德國企業已表示有興趣。
林彥瑋指出，這種技術更適用於那些擁有大量可再生能源的地方，因為這項技術需要大量電力供應。如果使用化石燃料供電，就會產生二氧化碳排放，這與技術推動可持續發展的初衷相悖。
「新加坡缺乏可再生能源，進口的可再生能源，應用於為商場冷氣供電等來促進環保，若用於轉化二氧化碳則並不理想。」
讓我們來看看這個研究的實驗數據吧~
a濺射到多孔疏水性 PTFE 氣體擴散基底上的 Cu 的 SEM 圖像。b SEM 和 ( c ) Ni-N 4的 TEM 圖像，由碳載體上的 Ni 單原子組成。d Ni-N 4的 AC-HAADF-STEM 圖像。e Cu PTFE/Ni-N 4復合催化劑的SEM圖像。f HAADF-STEM 和相應的 Ni-N 4催化劑的 EDS 映射圖像，來源：《Nature Communications》
Cu PTFE 是通過將 200 nm 的 Cu 濺射到多孔疏水性 PTFE 基材上製成的。然後將一層Ni-N 4催化劑噴塗到Cu PTFE上以產生Cu PTFE/Ni-Ni 4 -1。Cu PTFE/Ni–Ni 4 -2 是通過濺射 5 nm 的 Cu，然後噴塗另一層 Ni–N 4催化劑製成的。再次重複該步驟以獲得最終的Cu PTFE/Ni-Ni 4復合催化劑，來源：《Nature Communications》
參考文獻：
Acidic media enables oxygen-tolerant electrosynthesis of multicarbon products from simulated flue gas，Nature Communications(2024)
