本文与 加州理工学院合作发表。
在寻求可持续替代能源和燃料来源的过程中，一种可行的解决方案或许是将温室气体二氧化碳（CO2）转化为液体燃料。
植物通过光合作用，将阳光、水和CO2转化为糖类，即为细胞过程提供能量的多碳分子。因此，CO2既是现代生活所依赖的化石燃料的前体，也是燃烧这些燃料的副产物。从稳定的含氧碳前体（如CO2和一氧化碳（CO））生成合成液体燃料的能力，让人联想到自然界的光合作用，也是人工体系中所期望实现的转化过程。大约一个世纪以来，一种称为费托合成的化学方法一直被用于将氢气（H2）和CO转化为液体燃料。然而，其机理尚不清楚，而且与光合作用不同，该过程需要高压（为1至100倍大气压）和高温（100–300摄氏度）。
近年来，已有报道称可通过其他转化化学途径，由含氧碳前体生成液体燃料。使用铜电催化剂，可将CO和CO2转化为多碳产物。该过程在温和条件下进行，但 其发生方式 仍是未解之谜。
现在，加州理工学院化学教授 Theo Agapie 与其研究生Joshua Buss开发了一个模型体系，用以展示将CO转化为烃类的过程的初始步骤可能呈现的样子。
这些研究成果于2015年12月21日作为《自然》期刊的在线先行出版物发表（并于2016年1月7日刊印），为开发相关技术奠定了基础，这些技术未来或许有助于通过将CO2转化回燃料，缓解大气中温室气体CO2累积所带来的负面影响。虽然已有方法可将CO2转化为CO，但关键的下一步，即CO分子的脱氧及其偶联形成C–C键，则更为困难。
在该研究中，阿加皮和巴斯合成了一种新的过渡金属配合物（即一个金属原子，此处为钼，与一个或多个称为配体的支持分子结合），该配合物能够促进CO分子的活化与断裂。分子的逐步还原会使CO的C–O键显著减弱。一旦键被削弱，通过引入甲硅烷基亲电试剂（一类可作为质子替代物使用的含硅试剂），该键便被彻底断开。
这一断裂形成了末端碳化物（即一个与金属中心结合的单个碳原子），该碳化物随后与配位于金属上的第二个CO分子成键。研究人员表示，尽管碳化物通常被认为是CO还原偶联中的中间体，但这是首次直接证明其在此类化学反应中的作用。C–C键形成后，金属中心释放出C2产物。总体而言，该过程将两个CO单元转化为一种乙炔醇衍生物，且即使在低于室温的温度下也能顺利进行。
“据我们所知，这是首个定义明确的反应，能够将两个一氧化碳分子转化为一种无金属的乙炔醇衍生物（一种与乙醇相关的分子）；能够将C2产物从金属上释放出来这一点非常重要，”阿加皮说。
虽然生成的乙炔醇衍生物本身不能用作燃料，但它标志着向从二氧化碳合成多碳合成燃料迈出了一步。研究人员目前正在应用这项初步研究所获得的知识来改进该过程。“理想情况下，我们的见解将有助于开发实用的催化体系，”巴斯说。
研究人员还在探索一种利用质子而非甲硅烷基亲电试剂来断裂C–O键的方法。“最终，我们希望利用来自水的质子和来自阳光的等效电子，”阿加皮说，“但质子反应性很强，目前我们还无法控制这一化学过程。”
论文中的研究， “单一金属位点上一氧化碳的四电子脱氧还原偶联” 由加州理工学院和美国国家科学基金会资助。
发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
如需及时了解议程动态， 请订阅我们的每周时事通讯。
作者：Ker Than是加州理工学院的特约撰稿人。
图片：德国施普伦贝格（Spremberg）“Schwarze Pumpe”迷你工厂首次正式运行前，一根用于输送二氧化碳的柔性管道。路透社/Hannibal Hanschke。
