更清洁，更高效：一场正在酝酿的塑料革命

不得不说，塑料，是一种令人爱恨交加的原料。从19世纪发明家海厄特合成了 “赛璐珞”起，经过百余年的发展，物美价廉的塑料产品，早已遍布在每个人的日常生活之中。

然而，如同硬币的正反面无法分开，塑料的污染现象也一直备受关注，英国《卫报》甚至曾把塑料评为“人类最糟糕的发明”。为了减少污染，一方面科学家在研究各种塑料回收技术，但另一方面，塑料的生产环节，也需要一场颠覆性的技术革新。
塑料的种类虽然五花八门，但它们在本质上都是碳、氢等元素构成的高分子化合物。为了制造塑料，最重要的原料，就是石油。化工厂要先把买来的石油进行裂解。简单来说，就是在高温条件下将石油中的大分子打碎，制成乙烯、丙烯等小分子，再进行聚合，得到聚乙烯、聚丙烯等塑料材料。
这套基于石油的化工工艺经过数十年的打磨，已经成为了整个塑料产业的根基。但是，问题也出现了。

首先，裂解的原料是不可再生资源。现在，人类每年消耗的石油中，有40%用来生产塑料。其次，整个工艺过程并不环保，不只是耗能巨大，还会有大量二氧化碳被放出。一般而言，每生产1吨塑料，要排放2.5吨二氧化碳。
那么，有没有解决方法呢？

二氧化碳加水=塑料？

我们就以聚乙烯为例，来看看学者们在做着怎样的努力。
聚乙烯（PE）是世界上最常用的塑料之一，大量用于制造塑料袋等产品。而聚乙烯的单体就是乙烯（C2H4）。
为了生产乙烯，全球的化工厂每年要释放2亿吨的二氧化碳，占到了世界总排放的0.6%。
乙烯分子（左）与聚乙烯颗粒（右 | wikipedia.org
要想摆脱这一困境，就要另辟蹊径。有人提出，能不能直接用二氧化碳来造乙烯？
对，你没听错，就是用二氧化碳。
毕竟，把乙烯掰开，其实就是碳和氢这两种元素。二氧化碳就有碳，而氢元素可从水中来。
“二氧化碳+水=乙烯”，这听起来如同炼金术般疯狂的主意，却并非来自胡思乱想。虽然从热力学角度来看，二氧化碳转化为乙烯是一个非自发的过程。但只要我们提供足够的能量，就能推动这个反应进行。
在各种能源形式中，人类用起来最得心应手的无疑是电能。
早在1986 年就有学者发现，在铜箔表面通电，可以把二氧化碳还原为乙烯。其中，铜箔起到了催化剂的作用，来降低整个反应的难度。
即便有了铜催化剂，这种电化学方法的乙烯产量还是太少。相对于实验中消耗的电力来说，产物的价值实在是九牛一毛。后续的相关研究进展也比较缓慢，主要的瓶颈是如何提升二氧化碳到乙烯的转化效率。
二氧化碳在催化剂表面发生反应生成各种分子的示意图（其中红色是氧元素、灰色是碳元素、淡红色代表金属催化剂）| 作者供图
近年来，塑料污染、温室效应等问题愈发紧迫，为了降低大气中的二氧化碳，以及寻找更环保的乙烯制备方法，越来越多的学者们参与到相关研究之中。于是，用电化学的方法来推动二氧化碳到乙烯的转变，成为了化学领域的研究热点，也随之涌现出了很多极具潜力的研究成果。

2018年，加拿大的学者们设计了一套反应设备，其中的核心是一种多层次的纳米结构。他们在一种布满了纳米孔的薄膜上，镀上了一层25 纳米厚的铜。这种纳米级别的铜，具有很大的表面积，因此可以最大化地与二氧化碳接触，充分发挥催化作用；而在其底层的多孔薄膜可以让原料气体和产物气体快速进出，防止它们在催化剂表面堆积阻塞。
多孔层与纳米铜催化剂的工作示意图 | 参考文献[4]
经过如此的优化设计，这种装置在70℃运行时，可以将二氧化碳转变为乙烯的效率提高到70％，而且能稳定工作150个小时。

虽然提升效果比较明显，但这套装置仍然有不少可以改进之处，其中较为关键的有两点。一是70%的转换效率仍有提高空间。另一个则是装置的运行环境比较苛刻。为了充分发挥催化剂的能力，这个装置在运行时需要维持一个强碱性的环境。目前的方法是在装置中加入大量的氢氧化钾溶液。
但这种生产方法并不是十全十美。初中化学课上，我们就学到过，氢氧根离子会与二氧化碳发生反应，形成碳酸盐。所以，在使用二氧化碳造乙烯的过程中，溶液中的氢氧根也在不断被消耗，需要一直进行补充。这不仅会增加规模化生产的成本，高碱性的废液如何处置也将是一个大问题。
找不到催化剂？人工智能来帮忙

为了解决这个问题，研究人员绞尽脑汁，试图从两个方向上解决。首先，是提高生产效率。在制造塑料的电化学反应中，金属铜扮演了催化剂的角色，而为了提高制造效率，最直接的手段就是找到更高效的催化剂。
早期的测试分析显示，金属材料对电化学反应的催化能力较强。理论上，整个元素周期表中的金属元素都有可能成为主角。当然，由几种金属混合而成的合金材料也同样具有潜力。这么一来，要想找到合适的催化剂，就要面对几乎“无数种”的金属元素排列组合。而传统手段就只能一种接一种地尝试，这无异于大海捞针。
好在，人工智能的发展，让材料学家们有了一个得力的武器。
2020年，中、美、加三国学者联手，通过使用机器学习算法分析了1.6万 种候选材料，从中选出了最具潜力的还原二氧化碳催化剂。他们发现，只要在铜的基础上引入铝元素，做成铜铝合金，就可以把二氧化碳的还原效率提升到80%。
使用人工智能方法分析不同成分的催化能力 | 参考文献[5]
除了去找厉害的催化剂，另一种思路是设计更好的电化学反应流程。比如，多伦多大学的化学家们，设计了一种两步法的反应。他们先使用一种叫做固态氧化物电池的装置把二氧化碳转化为一氧化碳，再把一氧化碳导流到另一个反应装置中，用一种能将一氧化碳还原成乙烯的催化剂进行后续过程。一氧化碳不会与氢氧化物反应生成碳酸盐，这种串联反应器也不再需要碱性溶液，而且整体乙烯的转化效率也维持在不错的水平，可以达到65％。
当然，这些研究还停留在很早期的阶段，说不定哪天会出现更为高效、更为环保的二氧化碳制乙烯的方案，相当值得期待！
点石成金不是梦

不止有乙烯这种塑料单体，有了电化学方法的加持，以二氧化碳为原料，我们还能得到更多。
学者们发现，将这种策略进一步扩展，通过使用不同的催化剂或者创造不同的反应条件，还能把二氧化碳变成乙醇、甲醇、乙酸等等。此外，用电化学方法还能把水电解出氢气，把氮气转变为氨，前者是最理想的清洁能源，后者是极重要的化工原料。
水、二氧化碳和氮气从哪来？到处都有啊！整个大气层，整个太平洋，全可以成为原料产地。
用这些近乎无限的原料，来生产具有价值的产品，这就是现代版的“点石成金”。
如果从一个更宏观的视野来看，我们会发现隐藏在电化学背后的巨大价值。
人类社会的进步，要依靠物质的积累和能源的消耗。随着风能、核能、太阳能这些技术的蓬勃发展，我们的电力供给越来越富足了。而借由电化学的方法，我们可以把便宜的电利用起来，用电能推动化学反应来制造产品。也就是说，电化学在中间搭建了一座桥梁，我们把能源和物质连起来了。
换句话说，现在那些实验室中冒着泡的溶液和通着电的线路，也许会为人类创造一个无限可能的未来。
参考文献

[1] Li, F. , Thevenon, A. , Alonso Rosas-Hernández, Wang, Z. , & Sargent, E. H. . (2020). Molecular tuning of CO2-to-ethylene conversion. Nature, 577, 509-513.

[2]https://www.sciencemag.org/news/2021/02/chemists-close-greener-way-make-plastics

[3] Seh, Z. W. , Kibsgaard, J. , Dickens, C. F. , Chorkendorff, I. B. , Norskov, J. K. , & Jaramillo, T. F. . (2017). Combining theory and experiment in electrocatalysis: insights into materials design. Science, 355, eaad4998.

[4] Dinh, C. T. , Burdyny, T. , Kibria, M. G. , Seifitokaldani, A. , Gabardo, C. M. , & De Arquer, F. P. G. , et al. (2018). CO2 electroreduction to ethylene via hydroxide-mediated copper catalysis at an abrupt interface. Science, 360, 783-787.

[5] Zhong, M., Tran, K., Min, Y. et al. (2020). Accelerated discovery of CO2 electrocatalysts using active machine learning. Nature, 581, 178–183

[6] 杨梦茹, 李华静, 罗宁丹, 李锦, 周安宁, 李远刚. (2019). 二氧化碳电催化还原产乙烯: 催化剂, 反应条件和反应机理. 化学进展, 2019, 31, 245-257.

[7] http://wap.chinacace.org/news/view?id=12355

作者：圆的方块编辑：朱步冲