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不得不說， 塑料，是一種令人愛恨交加的原料。從19世紀發明家海厄特合成了 “賽璐珞”起，經過百余年的發展，物美價廉的塑料產品，早已遍布在每個人的日常生活之中。

然而，如同硬幣的正反面無法分開，塑料的污染現象也一直備受關注，英國《衛報》甚至曾把塑料評為“人類最糟糕的發明”。 為了減少污染，一方面科學家在研究各種塑料回收技術，但另一方面，塑料的生產環節，也需要一場顛覆性的技術革新。

堆積如山的廢棄塑料瓶 |

塑料的種類雖然五花八門，但它們在本質上都是碳、氫等元素構成的高分子化合物。 為了制造塑料，最重要的原料，就是石油?；S要先把買來的石油進行裂解。簡單來說，就是在高溫條件下將石油中的大分子打碎氧氣檢測儀，制成乙烯、丙烯等小分子，再進行聚合，得到聚乙烯、聚丙烯等塑料材料。

大型聚乙烯制造工廠，是二氧化碳排放重災區 |

這套基于石油的化工工藝經過數十年的打磨，已經成為了整個塑料產業的根基。但是，問題也出現了。

首先，裂解的原料是不可再生資源?，F在乙烯，人類每年消耗的石油中，有40%用來生產塑料。其次，整個工藝過程并不環保，不只是耗能巨大，還會有大量二氧化碳被放出。一般而言，每生產1噸塑料，要排放2.5噸二氧化碳。

那么，有沒有解決方法呢？

二氧化碳加水=塑料？

我們就以聚乙烯為例，來看看學者們在做著怎樣的努力。

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產品。而聚乙烯的單體就是乙烯（C2H4）。

為了生產乙烯，全球的化工廠每年要釋放2億噸的二氧化碳，占到了世界總排放的0.6%。

乙烯分子（左）與聚乙烯顆粒（右 |

要想擺脫這一困境，就要另辟蹊徑。有人提出， 能不能直接用二氧化碳來造乙烯？

對，你沒聽錯，就是用二氧化碳。

畢竟，把乙烯掰開，其實就是碳和氫這兩種元素。二氧化碳就有碳，而氫元素可從水中來。

“二氧化碳+水=乙烯”，這聽起來如同煉金術般瘋狂的主意，卻并非來自胡思亂想。雖然從熱力學角度來看，二氧化碳轉化為乙烯是一個非自發的過程。但只要我們提供足夠的能量，就能推動這個反應進行。

在各種能源形式中，人類用起來最得心應手的無疑是電能。

早在1986 年就有學者發現，在銅箔表面通電，可以把二氧化碳還原為乙烯。其中，銅箔起到了催化劑的作用，來降低整個反應的難度。

即便有了銅催化劑，這種電化學方法的乙烯產量還是太少。相對于實驗中消耗的電力來說，產物的價值實在是九牛一毛。后續的相關研究進展也比較緩慢，主要的瓶頸是如何提升二氧化碳到乙烯的轉化效率。

二氧化碳在催化劑表面發生反應生成各種分子的示意圖（其中紅色是氧元素、灰色是碳元素、淡紅色代表金屬催化劑）| 作者供圖

近年來，塑料污染、溫室效應等問題愈發緊迫，為了降低大氣中的二氧化碳，以及尋找更環保的乙烯制備方法，越來越多的學者們參與到相關研究之中。于是，用電化學的方法來推動二氧化碳到乙烯的轉變，成為了化學領域的研究熱點，也隨之涌現出了很多極具潛力的研究成果。

2018年，加拿大的學者們設計了一套反應設備，其中的核心是一種多層次的納米結構。他們在一種布滿了納米孔的薄膜上，鍍上了一層25 納米厚的銅。這種納米級別的銅，具有很大的表面積，因此可以最大化地與二氧化碳接觸，充分發揮催化作用；而在其底層的多孔薄膜可以讓原料氣體和產物氣體快速進出，防止它們在催化劑表面堆積阻塞。

多孔層與納米銅催化劑的工作示意圖 | 參考文獻[4]

經過如此的優化設計，這種裝置在70℃運行時，可以將二氧化碳轉變為乙烯的效率提高到70％，而且能穩定工作150個小時。

雖然提升效果比較明顯，但這套裝置仍然有不少可以改進之處，其中較為關鍵的有兩點。一是70%的轉換效率仍有提高空間。另一個則是裝置的運行環境比較苛刻。為了充分發揮催化劑的能力，這個裝置在運行時需要維持一個強堿性的環境。目前的方法是在裝置中加入大量的氫氧化鉀溶液。

但這種生產方法并不是十全十美。初中化學課上，我們就學到過，氫氧根離子會與二氧化碳發生反應，形成碳酸鹽。所以，在使用二氧化碳造乙烯的過程中，溶液中的氫氧根也在不斷被消耗，需要一直進行補充。這不僅會增加規?；a的成本，高堿性的廢液如何處置也將是一個大問題。

找不到催化劑？人工智能來幫忙

為了解決這個問題，研究人員絞盡腦汁，試圖從兩個方向上解決。首先，是提高生產效率。在制造塑料的電化學反應中有毒氣體檢測儀，金屬銅扮演了催化劑的角色，而為了提高制造效率，最直接的手段就是找到更高效的催化劑。

早期的測試分析顯示，金屬材料對電化學反應的催化能力較強。理論上，整個元素周期表中的金屬元素都有可能成為主角。當然，由幾種金屬混合而成的合金材料也同樣具有潛力。這么一來，要想找到合適的催化劑乙烯，就要面對幾乎“無數種”的金屬元素排列組合。而傳統手段就只能一種接一種地嘗試，這無異于大海撈針。

好在，人工智能的發展，讓材料學家們有了一個得力的武器。

2020年，中、美、加三國學者聯手，通過使用機器學習算法分析了1.6萬 種候選材料，從中選出了最具潛力的還原二氧化碳催化劑。他們發現，只要在銅的基礎上引入鋁元素，做成銅鋁合金乙烯，就可以把二氧化碳的還原效率提升到80%。

使用人工智能方法分析不同成分的催化能力 | 參考文獻[5]

除了去找厲害的催化劑，另一種思路是設計更好的電化學反應流程。比如，多倫多大學的化學家們，設計了一種兩步法的反應。他們先使用一種叫做固態氧化物電池的裝置把二氧化碳轉化為一氧化碳，再把一氧化碳導流到另一個反應裝置中，用一種能將一氧化碳還原成乙烯的催化劑進行后續過程。一氧化碳不會與氫氧化物反應生成碳酸鹽，這種串聯反應器也不再需要堿性溶液，而且整體乙烯的轉化效率也維持在不錯的水平，可以達到65％。

當然，這些研究還停留在很早期的階段，說不定哪天會出現更為高效、更為環保的二氧化碳制乙烯的方案，相當值得期待！

點石成金不是夢

不止有乙烯這種塑料單體，有了電化學方法的加持，以二氧化碳為原料，我們還能得到更多。

學者們發現，將這種策略進一步擴展，通過使用不同的催化劑或者創造不同的反應條件，還能把二氧化碳變成乙醇、甲醇、乙酸等等。此外，用電化學方法還能把水電解出氫氣，把氮氣轉變為氨，前者是最理想的清潔能源，后者是極重要的化工原料。

水、二氧化碳和氮氣從哪來？到處都有??！整個大氣層，整個太平洋，全可以成為原料產地。

用電化學技術串聯，可再生能源與工業制造就形成了一道完美閉環 |

用這些近乎無限的原料，來生產具有價值的產品，這就是現代版的“點石成金”。

如果從一個更宏觀的視野來看，我們會發現隱藏在電化學背后的巨大價值。

人類社會的進步，要依靠物質的積累和能源的消耗。隨著風能、核能、太陽能這些技術的蓬勃發展，我們的電力供給越來越富足了。而借由電化學的方法，我們可以把便宜的電利用起來，用電能推動化學反應來制造產品。也就是說，電化學在中間搭建了一座橋梁，我們把能源和物質連起來了。

換句話說，現在那些實驗室中冒著泡的溶液和通著電的線路，也許會為人類創造一個無限可能的未來。

參考文獻

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