美國斯坦福大學、斯坦福直線加速器中心國家加速器實驗室(SLAC)和丹麥技術大學組成的一個國際研究小組通過計算機篩選出可在低壓下將二氧化碳轉化為甲醇的新型催化劑鎳—鎵(Ni5Ga3)。甲醇是塑料產(chǎn)品、粘合劑和溶劑的主要成分及有前景的運輸燃料。該研究結果發(fā)表在近日《自然·化學》在線版上。
該研究主要作者、SLAC的科學家費利克斯·斯圖特說：“甲醇是在高壓下用氫氣、二氧化碳和天然氣中的一氧化碳生成的。我們正在從清潔資源中尋找低壓條件下產(chǎn)生甲醇的方法，最終開發(fā)出利用清潔的氫生成甲醇的無污染制造過程。”
現(xiàn)有的甲醇廠內(nèi)，天然氣和水被轉化為包括一氧化碳、二氧化碳和氫氣的“合成氣”，然后該合成氣通過由銅、鋅和鋁構成的催化劑在高壓過程下轉化成甲醇。
據(jù)每日科學網(wǎng)、物理學家組織網(wǎng)近日報道，斯圖特和其同事花費了很多時間去研究甲醇合成及其工業(yè)生產(chǎn)過程，并從分子水平上弄清楚了甲醇合成時銅—鋅—鋁催化劑的活性位點，而后開始尋找能夠在低壓條件下，只使用氫氣和二氧化碳合成甲醇的新催化劑。斯圖特與合作者弗蘭克·彼得森開發(fā)了一個龐大的計算機數(shù)據(jù)庫，從中搜索出富有前途的催化劑，以取代在實驗室里測試各種化合物的方式。該論文的合著者之一、斯坦福大學化學工程教授延斯解釋說：“該技術被稱為計算材料設計。你可以得到完全基于計算機運算的新型功能材料。首先通過巨大的計算能力識別新的和有趣的材料，然后進行實驗測試。”
在數(shù)據(jù)庫中，斯圖特將銅—鋅—鋁催化劑與成千上萬的其他材料相比，發(fā)現(xiàn)最有前途的候選是一個稱為鎳—鎵的化合物。丹麥技術大學的研究團隊隨后合成出鎳和鎵組成的固體催化劑。研究團隊進行一系列的實驗，以查看新的催化劑是否可在普通壓力下產(chǎn)生甲醇。
實驗室測試證實，計算機做出了正確的選擇。在高溫下，鎳—鎵比傳統(tǒng)的銅—鋅—鋁催化劑能產(chǎn)生更多的甲醇，并大大減少了副產(chǎn)品一氧化碳的產(chǎn)量。研究人員指出，鎳比較豐富，雖然鎵較昂貴，但被廣泛應用于電子行業(yè)。這表明，新的催化劑最終可以擴大規(guī)模用于工業(yè)。