过去几周，霍尔木兹海峡的封锁切断了全球约五分之一的石油供应，引发了自20世纪70年代以来最严重的全球能源危机。除了直接的能源冲击，这一事件也再次暴露出全球经济对化石碳氢化合物的高度依赖，以及寻找替代方案的迫切性。
在众多替代路径中，利用可再生电力将二氧化碳（CO2）电化学转化为高附加值燃料和化学品，被视为摆脱原油依赖的关键方向之一。例如，目前几乎完全依赖石油炼制的乙烯，就有望通过这一途径获得。
生物废料涂层让铜催化剂更高效
新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系助理教授 Andrew Barnabas Wong 领导的团队，提出了一种简单且更环保的方法，显著提升这一转化过程的效率。
研究人员在铜催化剂表面覆盖了一层厚度仅 2–5 纳米的生物聚合物薄膜，这些生物聚合物来源于海鲜壳、木材及其他生物废弃物。在工业相关的电流密度 1.6 安培每平方厘米（A/cm²）下，该体系实现了 90% 的多碳产物选择性；即便将电流密度提高到 2.2 A/cm²，选择性仍保持在 83%。
这些指标已处于铜基二氧化碳电转化体系中报道的最高水平之一。更重要的是，这种生物聚合物可以完全替代催化剂电极中常用的 Nafion 及其他含氟的全氟和多氟烷基物质（PFAS），为开发成本更低、PFAS 含量更少的气候技术提供了新路径。在全球对“永久化学品”监管日益趋严的背景下，这一点尤为关键。
相关成果已于 2026 年 4 月 17 日以开放获取形式发表在《自然能源》（Nature Energy）上。
生物聚合物如何重塑反应环境
在电化学二氧化碳转化过程中，电能驱动二氧化碳和水分子发生反应，重新组合生成富含碳的燃料和化学品，如乙醇和乙烯。铜是目前最常用、也是最有效的催化剂之一。
但要让铜优先生成多碳产物，而不是简单的氢气，需要对催化剂表面的微观化学环境进行精细调控。传统上，这一调控由 Nafion 等含氟材料完成。然而，这类材料价格高昂，并被归类为 PFAS——一种在环境中极难降解的持久性污染物，与免疫功能下降及部分癌症风险增加等健康问题相关。
Wong 团队的研究表明，纳米级生物聚合物薄膜可以通过完全不同的机制实现类似甚至更优的效果。借助先进光谱技术和计算模拟，他们发现：
- 涂层可在催化剂附近富集二氧化碳；
- 限制水分子运动，从而抑制不希望发生的副反应；
- 提升离子传输效率。
这些因素共同作用，使体系更有利于生成乙烯、乙醇等高价值多碳产物，而不是氢气。
Wong 表示：“我们的工作展示了改进电化学二氧化碳转化的新路径，未来有望用于生产无需石油或炼油的燃料。我们也证明了，这些技术目前依赖的永久化学品，有可能被纤维素、壳质素和壳聚糖等材料替代，而这些都可从海鲜壳、昆虫外骨骼、木材或枯叶中获取。”
更便宜、更环保的电极设计
当涂覆生物聚合物的铜纳米颗粒与银纳米颗粒配对，构建成串联系统以最大化多碳产物输出时，在 1.6 A/cm² 的电流密度下，有 90% 的电流被用于生成有用的多碳产物。
通常，提高电流密度可以加快反应速率，减少达到同等产量所需的反应器数量，但往往会牺牲选择性，因为高电流下更容易生成不需要的氢气。该团队的结果显示，即使电流密度提升至 2.2 A/cm²，多碳产物选择性仍有 83%，说明生物聚合物涂层在接近工业条件的高负载下仍能保持反应稳定性。
此外，生物聚合物还能完全替代 Nafion，作为将催化剂层粘结在一起的胶状粘结剂。研究中，用纤维素涂覆的铜与壳质素作为粘结剂组合，实现了 95% 的多碳选择性，其性能与使用 Nafion 的电极相当甚至更优。
在成本方面，高品质壳聚糖的价格约为每公斤 50 美元，按重量计算仅为 Nafion 的约千分之一。如果这一方法实现规模化应用，将带来显著的成本优势。
向无石油燃料与化学品迈进
电化学二氧化碳转化是新兴气候技术的重要方向之一，目标是利用可再生电力生产燃料和化工原料，替代石油，并有潜力为传统炼油提供碳负排放的替代方案。尽管该技术整体仍处于早期阶段，Wong 团队的生物聚合物策略同时达成了两大目标：
- 提升催化剂性能与多碳产物选择性；
- 为用丰富、可生物降解且来源于废弃物的材料替代昂贵且持久存在的永久化学品打开通路。
Wong 指出：“我们的生物聚合物涂层方法，为提升二氧化碳还原选择性提供了一种简单且易于推广的手段。此前，人们普遍认为 Nafion 或其他疏水材料是选择性制备乙醇和乙烯的必需条件。本研究中的材料却与水有很强的亲和力，却依然能实现高选择性，这颠覆了传统认知，也意味着在提升电化学二氧化碳转化为燃料和化学品方面，还有大量令人期待的新空间可以探索。”
未来，团队将基于现有成果，进一步调控乙醇与乙烯的产物比例，并提升体系的长期稳定性，使反应能够在更长时间内连续运行而无需频繁干预。Wong 表示：“在这些方向上，我们已经在推进更多有前景的工作。”
