电化学反应

王治钧

化学工业是支撑国民经济发展的重要基础性产业，也是二氧化碳排放量较大的行业。这是因为许多化学反应需要在高温、高压的条件下进行，这个过程中需要燃烧化石燃料，并产生大量的碳排放。因此，化学工业必须找到一种更加环保和可持续的方法，电化学反应就是一种很有前景的解决方案。

全球有很多科学家在致力于解决这个问题，来自委内瑞拉的纽约大学副教授、可持续工程专家米盖尔·A·莫德斯蒂诺（Miguel A. Modestino）就是其中的佼佼者。让我们来看看他是怎么做的吧！

用电力代替热能

驱动化学反应

减少化学工业二氧化碳排放量的解决方案之一，就是用电力代替化石燃料产生的热能来驱动化工行业工厂内的生产流程。听起来好像很简单——不就是拆掉天然气管道，接上电力管道，并保证工厂的用电来自清洁能源，例如太阳能、风能、核能等？

道理很简单，但具体实施起来却存在各种各样的困难——研究人员必须创造出一种新的化学反应可以直接利用电能，也就是电化学反应——即找到可以直接关联电能和物质分子之间的电化学反应。在电化学反应中，电能将取代热能作为能量源，以此达到减少二氧化碳排放量的目的。

 化学反应可以直接利用电能示意图（绘图/魏欣）

尼龙66——从耗能“大户”到电化学生产

尼龙66是一种十分重要的聚合物，从我们身上穿的衣物，到各种机械和电器零件中都能见到它的“身影”。每年全球有超过500万吨的各类尼龙被生产出来，这其中有200万吨是尼龙66。因此，尼龙66是一个名副其实的耗能“大户”。

经过研究，米盖尔的团队成功找到了合适的添加物和电压，通过电化学反应将原材料有选择性地转化为合成尼龙的前驱体（单体）。研究团队经过多次实验，最终实现了与早已成熟的商业反应堆旗鼓相当的效果。

人工智能帮大忙

虽然大多数电化学反应都是在恒定的电流下进行的，但米盖尔认为，如果控制好电力输入和分子之间的相互作用，还能把电化学反应的性能进一步提升。为此，他的团队开始尝试不同的电脉冲（很短时间内变一次电压的过程），以找到一个合适的脉冲序列，使电子传递能够与分子反应的速率相适应，从而达到“同频共振”促进化学反应的目的。

但需要测试的脉冲数量巨大，无论是时间成本还是金钱成本都存在很大挑战，于是他们决定用一部分脉冲的测试结果来训练一个机器学习模型，以此来找到适合这个反应的脉冲序列。

 尼龙66

这是人工智能首次被用来优化电化学反应，而且米盖尔的研究团队很快找到了这个脉冲序列，并成功使生产尼龙66的电化学反应的生产速率提高了30%。这些效率、选择性和生产速率的巨大提升，保证电化学反应能够与已高度优化的化石燃料动力反应做竞争。

突破仍在继续

米盖尔的团队还研究了其他化学品的生产工艺，例如乙烯和丙烯，它们是生产塑料的主要原料。通过对电化学工艺进行改进，他们已经实现将这些化学品生产工艺中最耗能的步骤实现电力供能。

同时，他们也在开发新型工艺，利用食物残渣（厨余垃圾）代替石油，通过从这些废弃物中提取或者转化分子来制造化学品，这将进一步增强化学工业的可持续发展。

如何减少世界对石油、天然气等化石燃料的依赖，保护人们赖以生存的地球家园，不仅仅是科学家的事情，也与我们每个人息息相关。在新技术的帮助下，我们一定可以为地球的未来开辟一条可持续发展的道路。

知识链接  消融的热带冰川

1910年时，委内瑞拉境内尚有5个热带冰川，被当地人称为五白鹰。但时至今日，只留存下来一个，而且它所覆盖的面积已经大规模缩小，在不远的将来或有消融殆尽的风险。这一现象与碳排放造成的气候变化密切相关。

 委内瑞拉境内唯一的热带冰川正在逐渐消融

（責任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）