電化學(xué)反應(yīng)

王治鈞

化學(xué)工業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是二氧化碳排放量較大的行業(yè)。這是因?yàn)樵S多化學(xué)反應(yīng)需要在高溫、高壓的條件下進(jìn)行，這個(gè)過程中需要燃燒化石燃料，并產(chǎn)生大量的碳排放。因此，化學(xué)工業(yè)必須找到一種更加環(huán)保和可持續(xù)的方法，電化學(xué)反應(yīng)就是一種很有前景的解決方案。

全球有很多科學(xué)家在致力于解決這個(gè)問題，來自委內(nèi)瑞拉的紐約大學(xué)副教授、可持續(xù)工程專家米蓋爾·A·莫德斯蒂諾（Miguel A. Modestino）就是其中的佼佼者。讓我們來看看他是怎么做的吧！

用電力代替熱能

驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)

減少化學(xué)工業(yè)二氧化碳排放量的解決方案之一，就是用電力代替化石燃料產(chǎn)生的熱能來驅(qū)動(dòng)化工行業(yè)工廠內(nèi)的生產(chǎn)流程。聽起來好像很簡(jiǎn)單——不就是拆掉天然氣管道，接上電力管道，并保證工廠的用電來自清潔能源，例如太陽能、風(fēng)能、核能等？

道理很簡(jiǎn)單，但具體實(shí)施起來卻存在各種各樣的困難——研究人員必須創(chuàng)造出一種新的化學(xué)反應(yīng)可以直接利用電能，也就是電化學(xué)反應(yīng)——即找到可以直接關(guān)聯(lián)電能和物質(zhì)分子之間的電化學(xué)反應(yīng)。在電化學(xué)反應(yīng)中，電能將取代熱能作為能量源，以此達(dá)到減少二氧化碳排放量的目的。

?化學(xué)反應(yīng)可以直接利用電能示意圖（繪圖/魏欣）

尼龍66——從耗能“大戶”到電化學(xué)生產(chǎn)

尼龍66是一種十分重要的聚合物，從我們身上穿的衣物，到各種機(jī)械和電器零件中都能見到它的“身影”。每年全球有超過500萬噸的各類尼龍被生產(chǎn)出來，這其中有200萬噸是尼龍66。因此，尼龍66是一個(gè)名副其實(shí)的耗能“大戶”。

經(jīng)過研究，米蓋爾的團(tuán)隊(duì)成功找到了合適的添加物和電壓，通過電化學(xué)反應(yīng)將原材料有選擇性地轉(zhuǎn)化為合成尼龍的前驅(qū)體（單體）。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了與早已成熟的商業(yè)反應(yīng)堆旗鼓相當(dāng)?shù)男Ч?h3>人工智能幫大忙

雖然大多數(shù)電化學(xué)反應(yīng)都是在恒定的電流下進(jìn)行的，但米蓋爾認(rèn)為，如果控制好電力輸入和分子之間的相互作用，還能把電化學(xué)反應(yīng)的性能進(jìn)一步提升。為此，他的團(tuán)隊(duì)開始嘗試不同的電脈沖（很短時(shí)間內(nèi)變一次電壓的過程），以找到一個(gè)合適的脈沖序列，使電子傳遞能夠與分子反應(yīng)的速率相適應(yīng)，從而達(dá)到“同頻共振”促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的目的。

但需要測(cè)試的脈沖數(shù)量巨大，無論是時(shí)間成本還是金錢成本都存在很大挑戰(zhàn)，于是他們決定用一部分脈沖的測(cè)試結(jié)果來訓(xùn)練一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以此來找到適合這個(gè)反應(yīng)的脈沖序列。

?尼龍66

這是人工智能首次被用來優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)，而且米蓋爾的研究團(tuán)隊(duì)很快找到了這個(gè)脈沖序列，并成功使生產(chǎn)尼龍66的電化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)速率提高了30%。這些效率、選擇性和生產(chǎn)速率的巨大提升，保證電化學(xué)反應(yīng)能夠與已高度優(yōu)化的化石燃料動(dòng)力反應(yīng)做競(jìng)爭(zhēng)。

突破仍在繼續(xù)

米蓋爾的團(tuán)隊(duì)還研究了其他化學(xué)品的生產(chǎn)工藝，例如乙烯和丙烯，它們是生產(chǎn)塑料的主要原料。通過對(duì)電化學(xué)工藝進(jìn)行改進(jìn)，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將這些化學(xué)品生產(chǎn)工藝中最耗能的步驟實(shí)現(xiàn)電力供能。

同時(shí)，他們也在開發(fā)新型工藝，利用食物殘?jiān)◤N余垃圾）代替石油，通過從這些廢棄物中提取或者轉(zhuǎn)化分子來制造化學(xué)品，這將進(jìn)一步增強(qiáng)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

如何減少世界對(duì)石油、天然氣等化石燃料的依賴，保護(hù)人們賴以生存的地球家園，不僅僅是科學(xué)家的事情，也與我們每個(gè)人息息相關(guān)。在新技術(shù)的幫助下，我們一定可以為地球的未來開辟一條可持續(xù)發(fā)展的道路。

知識(shí)鏈接? 消融的熱帶冰川

1910年時(shí)，委內(nèi)瑞拉境內(nèi)尚有5個(gè)熱帶冰川，被當(dāng)?shù)厝朔Q為五白鷹。但時(shí)至今日，只留存下來一個(gè)，而且它所覆蓋的面積已經(jīng)大規(guī)?？s小，在不遠(yuǎn)的將來或有消融殆盡的風(fēng)險(xiǎn)。這一現(xiàn)象與碳排放造成的氣候變化密切相關(guān)。

?委內(nèi)瑞拉境內(nèi)唯一的熱帶冰川正在逐漸消融

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）