多年来，化学家们一直致力于利用废弃分子合成高价值材料。现在，国际科学家正在合作探索利用电力简化这一过程的方法。
研究人员在《自然催化》杂志上发表的研究中证明，温室气体二氧化碳可以高效地转化为一种名为甲醇的液体燃料。
这一过程需要将酞菁钴 (CoPc) 分子均匀地铺在碳纳米管上，碳纳米管是一种具有独特电性能的石墨烯类管。碳纳米管表面有一层电解质溶液，通过电流， CoPc 分子就能获得电子，并利用电子将二氧化碳转化为甲醇。
研究人员利用一种基于原位光谱的特殊方法可视化化学反应，首次看到这些分子转化为甲醇或一氧化碳，而这并不是所需的产物。他们发现，反应的路径取决于二氧化碳分子反应的环境。
通过控制 CoPc 催化剂在碳纳米管表面的分布方式来调整这种环境，可使二氧化碳产生甲醇的可能性提高八倍，这一发现可以提高其他催化过程的效率，并对其他领域产生广泛影响，这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学化学和生物化学教授罗伯特贝克说。
“当你把二氧化碳转化成其他产品时，你可以制造出许多不同的分子，”他说。“甲醇绝对是最理想的分子之一，因为它的能量密度很高，可以直接用作替代燃料。”
虽然将废弃分子转化为有用产品并不是一个新现象，但到目前为止，研究人员往往无法观察反应的实际发生情况，而这对于优化和改进这一过程至关重要。
“我们可能凭经验优化了某种物质的工作原理，但我们并不真正了解是什么让它起作用，或者是什么让一种催化剂比另一种催化剂更有效，”贝克说，他的研究领域是表面化学，即研究化学反应在不同物体表面发生时如何变化。“这些都是很难回答的问题。”
但借助特殊技术和计算机建模，该团队已明显接近掌握这一复杂过程。这项研究的主要作者、前俄亥俄州立大学校长学者朱全松说，在这项研究中，研究人员使用了一种新型振动光谱法，这使他们能够看到分子在表面的行为。朱全松的挑战性测量对这一发现至关重要。
朱说：“我们可以通过它们的振动特征判断出，这是同一种分子处于两种不同的反应环境中。我们能够将其中一种反应环境关联起来，后者负责生成甲醇，这是一种有价值的液体燃料。”
根据研究，更深入的分析还发现这些分子直接与称为阳离子的超带电粒子相互作用，从而增强了甲醇的形成过程。
贝克说，还需要进行更多研究来了解这些阳离子还具有哪些功能，但这样的发现对于实现更有效的甲醇生产方式至关重要。
贝克说：“我们看到了非常重要的系统，并了解到人们长期以来一直想知道的事情。了解分子水平上发生的独特化学反应对于实现这些应用非常重要。”
除了作为飞机、汽车和船舶等交通工具的低成本燃料外，由可再生电力生产的甲醇还可用于供暖和发电，并推动未来的化学发现。
“根据我们在这里学到的知识，接下来可以实现很多令人兴奋的事情，其中一些我们已经开始合作了，”贝克说。“这项工作正在进行中。”
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