基于Ga-Te和Sn-Bi液态合金的热化学法高效转化CO2为高纯度碳的研究

针对传统固态催化剂在CO2转化中易失活的问题，研究人员创新性地采用Ga-Te和Sn-Bi液态合金催化剂，通过热化学法在200-400°C温和条件下实现CO2高效转化为纯碳。实验表明GT2合金（0.8Ga-0.2Te）转化率达3.27 mmol/h，SB1合金（0.6Sn-0.4Bi）达7.8 mmol/h，XPS和Raman证实产物为无定形碳。该研究为低碳经济提供了新型液态金属催化策略。

　　

随着全球气候变暖加剧，二氧化碳（CO₂）作为最主要的温室气体，其排放量持续攀升。化石燃料燃烧贡献了超过40%的CO₂排放，而传统碳捕集技术如胺吸收法存在能耗高、成本大的缺陷。尽管催化转化CO₂为甲醇等化学品的研究取得进展，但固态催化剂的快速失活、高温高压需求以及氢气还原剂的依赖，严重制约了实际应用。更棘手的是，现有技术难以直接将CO₂转化为高附加值碳材料，如石墨烯或碳纳米管，这些材料通常需要通过多步复杂工艺制备。

在此背景下，印度理工学院的研究人员独辟蹊径，首次将液态金属（LM）催化理念引入CO₂转化领域。不同于传统固态催化剂易被积碳覆盖的缺陷，液态合金凭借动态表面自清洁特性，可长期维持催化活性。研究团队创新性地选择Ga-Te（GT）和Sn-Bi（SB）两类合金体系，前者基于镓的独特3d¹⁰电子构型对CO₂的活化能力，后者利用铋的孤对电子增强吸附性能。通过精确调控合金组分比例，在仅需200-400°C的中低温条件下，成功实现CO₂向纯碳的高效转化，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用管式炉反应系统，结合气相色谱（GC）实时监测转化效率，并运用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman）对产物进行多维度表征。特别值得注意的是，实验设计采用40% CO₂与60% Ar的混合气体模拟工业尾气组成，增强了研究的实用价值。

材料与方法
研究选取纯度99.95%的Ga、Te、Sn、Bi金属，依据相图优化配制三种组分的GT合金（GT1:0.9Ga-0.1Te；GT2:0.8Ga-0.2Te；GT3:GaTe化合物）和SB合金（SB1:0.6Sn-0.4Bi；SB2:0.7Sn-0.3Bi；SB3:0.8Sn-0.2Bi）。反应在恒温条件下持续2.5小时，GT体系设定400°C，SB体系200°C，通过气液界面相互作用促进CO₂分解。

结果与讨论
XRD图谱在26°处出现明显的碳（002）晶面衍射峰，证实固态碳的成功生成。Raman光谱的D峰（1350 cm^-1）与G峰（1580 cm^-1）强度比表明产物为含有石墨化域的无定形碳。XPS分峰显示C1s谱图中284.8 eV处的sp²杂化碳占比超过75%，验证了碳材料的导电特性。性能对比显示，富Ga的GT2合金转化率（3.27 mmol/h）显著高于纯Ga（2.76 mmol/h），而SB1合金在200°C下即达7.8 mmol/h，展现出优异的低温活性。

总结
该研究突破性地证明Ga-Te和Sn-Bi液态合金可将CO₂高效转化为高纯度碳材料，其自清洁表面特性解决了传统催化剂的积碳失活难题。特别是SB合金在200°C的低温活性，可直接利用工业废热驱动反应，大幅降低能耗。从机制上看，液态金属的流动界面持续暴露新鲜活性位点，而合金化调控的电子结构优化了CO₂吸附-解离路径。这项研究不仅为CO₂资源化利用开辟了新途径，更为设计下一代抗积碳催化剂提供了范式转移思路，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。