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上海交大金放鸣研究团队在PNAS发表研究:自然启迪的二氧化碳水热还原产长链烷烃

近日,上海交通大学环境科学与工程学院教授金放鸣研究团队在全球顶级综合性学术期刊之一《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)在线发表了题为“Hydrothermal synthesis of long-chain hydrocarbons up to C24 with NaHCO3-assisted stabilizing cobalt”的论文,首次报道了通过模拟地壳高温高压水热环境,利用铁钴金属将碳酸氢钠还原为长链烷烃,并被选为亮点文章作重要评述。上海交通大学为第一完成和通讯单位,合作单位和作者包括中国科学院化学研究所院士韩布兴与厦门大学教授王野。

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石油被称为“工业的血液”,主要成分是各种长链烷烃的混合物,其成油机理有生物成油和非生物成油两种学说。生物成因学说较广为接受,认为石油是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成,不可再生。非生物成因学说认为石油是由地壳内本身的碳物种生成,可再生且与生物无关,即在地壳或地幔富含氢气的碱性水热流体蛇纹化过程中,碳物种(主要以碳酸氢根形式存在)在矿物催化剂的催化作用下加氢生成各种烃类化合物。然而,该学说一直缺乏实验证据,且水热环境如何促进碳链增长亦未知,导致非生物成因学说难于被广泛接受。

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长链烷烃/烯烃的质谱鉴定、丰度分布以及同位素分析

面对这一重大科学问题,金放鸣研究团队通过模拟地球蛇纹石铁钴矿的组成和水热环境,以一般铁粉为还原剂,钴粉为催化剂,在300度和300个大气压下,成功地将碳酸氢钠水热还原为链长达二十四碳的烷烃及烯烃。

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碳酸氢根水热还原机理路线图

研究发现,碳酸氢根不仅充当碳源,还促进钴氧化物的还原,原位生成高活性的钴纳米片催化中心,突破了化工领域钴遇水即失活这一长期难解决的瓶颈问题。利用新开发的高温高压水热原位红外观察表明,零价钴的存在促进铁表面羟基物种的生成,二者的协同作用增强反应中间体一氧化碳的吸附,有利于其进一步氢化偶联,生成长链烷烃。

该工作为石油的非生物成因学说提供了关键的实验证据和机理阐释,不仅为证实该学说提供了重要的支撑,还为人类在未来使用人工石油、将石油变为可再生资源提供了可能;同时,长链烷烃的水热合成为原始脂质体细胞的出现提供重要的前驱体分子,推动了生命起源热液理论的发展,有助于理解地球化学如何向生物化学进化演变;进一步,为新型自然启迪的人造石油大规模合成提供了新途径,特别是利用非贵金属水热自修复稳定机制来高效催化二氧化碳还原产高附加值多碳化合物,有望推动“双碳”技术布局,加速地球碳循环。

该研究得到国家重点研发计划(2018YFC0309800,2017YFC0506004),国家自然科学基金重点项目(21436007),国家自然科学基金(21978170),上海市自然科学基金(19ZR1424800),上海交通大学“深蓝计划”(SL2020MS022)和青年教师启动计划等项目的资助。

论文链接https://doi.org/10.1073/pnas.2115059118

上海交通大学环境科学与工程学院金放鸣团队,长期致力于模拟自然,加速地球碳循环的研究,金放鸣教授是最早研究利用水热反应资源化处理有机废物和CO2的学者之一。 当前,全球范围内已逐渐形成了以“碳中和”为代表的绿色与可持续发展共识,我国也提出了30、60 “碳达峰、碳中和”的目标和愿景。纵观地球碳循环,日益加剧的能源和气候问题的本质是化石能源消耗过快(200-300年)与碳资源自然演化缓慢(千百万年)的矛盾导致的碳循环失衡。当前主流的节能减排对策着眼于降低有机碳向无机碳的转化,是解决碳失衡的重要手段,但难以平衡节能减排与经济发展之间的矛盾。从长远观点看,加快二氧化碳资源化,促进无机碳向有机碳资源转化,是加快地球碳循环的另一捷径,可望达成人类快速发展与自然和谐稳定共存的新型碳平衡,从而解决气候和能源问题、实现人类社会高质量发展。基于此理念,金放鸣教授团队坚持独特的加速地球碳循环原创研究,围绕模拟化石燃料非生物成因途径,开展了一系列水热资源化转化CO2的前沿探索研究。

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模拟自然,加速地球碳循环的研究策略

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经由金属/金属氧化物循环的生物质转化CO2新用技术

早在2005年,金放鸣教授就在日本东北大学开展了水热还原CO2的前期研究,并得到日本学术振兴会基盘研究科研经费多次支持。2007年,金放鸣教授回国后,继续在水热还原CO2方面开展了深入研究,提出了具有负碳效益的生物质水热还原CO2新思路,并开发出经由金属/金属氧化物循环的生物质高效还原CO2产甲酸的新型人工光合作用技术,为突破太阳能直接还原CO2效率低而制约其资源化的工业瓶颈问题建立了新方法,被纳米化学之父、加拿大皇家科学院G. Ozin院士认为是一种增强光催化效率的重要方法。随后,通过对催化剂的筛选,将金属水热转化CO2产物的甲酸拓展到乙酸、甲醇、甲烷等,极大的拓展了CO2水热转化的应用范围。另一方面,金放鸣团队在CO2还原剂方面也进行了深入的研究,开发出除过渡金属还原剂外的橡胶、塑料、硫化物等废弃物直接还原CO2产有机物新方法,为CO2的以废制废、绿色转化提供了支撑。过去十六年来,金放鸣教授在水热还原CO2领域(CO2 hydrothermal reduction)发表高水平研究论文近40篇,包括PNAS, EES, JACS, ES&T等顶级期刊,并主编CO2转化英文专著2本为该研究领域的发展做出了重要贡献。


作者:环境科学与工程学院

供稿单位:环境科学与工程学院


       

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