天然气在许多工业领域仍扮演着重要角色——但它是一种对气候有害的化石燃料。维也纳工业大学（TU Wien）和因斯布鲁克大学（the University of Innsbruck）现发现了一条意想不到的反应路径，使得利用从废气流或直接从空气中捕获的二氧化碳来合成天然气（即甲烷）成为可能。通过这种方式，甲烷总体上可以实现气候中性。
然而，要实现这一点，需要特殊材料。对这类材料的寻找是MECS研究项目的重点，该项目是由奥地利科学基金会（FWF）资助的一个奥地利卓越集群项目。如今，该项目取得了重要进展：研究团队对钇稳定氧化锆上的镍进行了研究。在与水蒸气和二氧化碳接触时，这种材料能够引发一系列复杂的化学过程，这些过程现已首次被详细解析——最终产生甲烷。
“将二氧化碳转化为气体产物的想法并不新鲜，”维也纳工业大学材料化学研究所的Günther Rupprechter教授说。“二氧化碳可以被分解，然后与氢气反应。但问题是：氢气从哪里来？”
如今，大多数氢气仍来自化石来源——即所谓的“黑氢”或“灰氢”。如果依赖这种氢气，整个过程就不是气候中性的。“在我们MECS研究集群中，我们认为开发一种能同时完成两件事的工艺会更加巧妙：首先，分解二氧化碳以提供碳；其次，分解水以同时提供‘绿氢’，”Günther Rupprechter解释道。然后，氢和碳可用于形成完全可再生的甲烷。在进一步步骤中，如果需要，这种甲烷也可以转化为其他物质，例如可再生液体燃料。
“多年来，人们一直认为镍是决定这一化学过程的主要因素，”因斯布鲁克大学的Bernhard Klötzer说。“但一些实验结果并不完全符合这一观点。我们想确切了解电化学活性表面上到底发生了什么。”
为了弄清真相，研究团队开发了一种非常特殊的、由钇稳定氧化锆上的镍制成的多孔模型电极，并使用X射线光电子能谱对其进行分析。这项技术使得实时跟踪过程中的化学变化成为可能。
结果令人惊讶：氧化锆最初主要因其对氧离子的渗透性并能输送氧而被使用。“但事实证明，氧化锆在此处的作用比之前认为的要活跃得多，”当前研究的第一作者Christoph Thurner说。“当我们施加电压时，碳最初会沉积在镍原子上——这是我们预期的。但随后部分碳会迁移到氧化锆表面，在那里形成一种反应性的碳-锆化合物。一旦少量水蒸气与该化合物接触，它再次反应，便形成了甲烷。”
“氧化锆表面的动态行为被证明是至关重要的，”维也纳工业大学进行模拟工作的Alexander Genest说。“我们能够证明甲烷是通过一条此前未知的反应路径形成的。这为电解池的开发开辟了新前景。它为我们提供了一种方式，例如在光伏发电产生过剩电力的特别晴朗的日子里，电化学地利用剩余电能生产甲烷。通过这种方式，能源可以以易于长期储存的多功能燃料形式储存。”
本研究得到了奥地利科学基金（[10.55776/COE5] 卓越集群“能源转换与储存材料”，MECS）和维也纳科学集群的支持。
原文发表：C.W. Thurner et al., Unexpected Reactivity of Zirconium Carbide on Nickel/Yttria-Stabilized Zirconia Boosts CO2/H2O Co-electrolysis to Methane, Chemistry of Materials (2026).
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