新的化学方法将二氧化碳转化为有价值的燃料

长期以来，研究人员一直在试图模仿光合作用，利用太阳的能量来产生化学燃料。现在，一个团队比以往任何时候都更接近这个目标。研究人员开发了一种新型的铜和铁基催化剂，该催化剂使用光将二氧化碳(CO2)转化为甲烷(天然气的主要成分)。如果可以进一步改进新催化剂，它将有助于减少我们对化石燃料的依赖。

 

多伦多大学的化学家和太阳能专家Edward Sargent说，这项新工作是“令人兴奋的进步”，他没有参与这项研究。“产生甲烷的优点是，用于存储，分配和利用甲烷的基础设施已经广泛使用。”

 

甲烷最近超过了煤炭，成为美国发电的主要燃料。燃烧时，甲烷分解成CO2和水，释放出用于发电的热量。利用阳光生产甲烷基本上与该过程相反，从CO2和水开始，并加电以重新形成甲烷的化学键。

 

但是，这种转换并不容易。必须将八个电子和四个质子添加到一分子的CO2中，以形成一分子的甲烷。添加每个电子和质子需要能量来推动转换的每个步骤。金属催化剂可以帮助这些反应。它们抓住了每个反应的分子伴侣，使反应更有可能，而能源成本却更低。

 

几年前，科学家发现，将铜颗粒与吸光材料搭配使用，在将CO2转化为能量更丰富的化合物方面显示出最初的希望。但是他们这样做的效率和速度仍然很低。因此，研究人员尝试将铜与其他金属配对。他们在细小的，似头发的纳米线的场顶上生长出两种金属颗粒，这些纳米线的作用类似于微型太阳能电池。细胞吸收阳光并将其转化为电能，从而为反应提供催化剂的电子。

 

2016年，研究人员报告称，在集光的稻草状硅纳米线上方沉积了含有铜和金的催化剂，可将CO2转化为一氧化碳，一氧化碳是工业上广泛使用的化合物。2019年3月，密歇根大学安阿伯分校的电气工程师Mi Zetian和他的同事发现，在吸光氮化镓(GaN)纳米线阵列顶部生长的钌和锆基催化剂可以有效地将一氧化碳转化为二氧化碳。2甲酸酯，另一种工业上有用的化合物。但是这些努力都没有产生广泛使用的燃料。

 

现在，Mi和他的同事们想出了一个解决办法。他们从在商用硅晶圆上生长的相同GaN纳米线开始。然后，他们使用一种称为电沉积的标准技术，添加了5至10纳米宽的微小颗粒，该颗粒由铜和铁的混合物组成。该装置在光照下以及在CO2和水的存在下，将光中51%的能量转换为甲烷，并以快速的方式工作。

 

以前，其他研究人员已经获得了更高的太阳能甲烷生产效率。但是它工作如此缓慢，这是不切实际的。Mi说，这种新型催化剂已于本月在《美国国家科学院院刊》上发表，在将CO2转化为甲烷的光驱动催化剂中，具有效率和产量最高的组合。计算机模型表明，催化剂中的两种金属共同作用以结合CO2分子，迫使它们弯曲的方式使其更易于反应和吸收进入的电子。Mi说：“这降低了关键步骤的能量屏障。”

 

他说，该设置还有另一个主要优势。与许多其他产生燃料的光吸收剂和催化剂相反，当前方法的所有组件价格便宜，数量丰富，并且已经在工业中使用。萨金特(Sargent)指出，下一步可能会同时提高甲烷的生产效率和生产率，这两项要求都必须使当前系统切实可行。如果发生这种情况，这种新方法可以为社会提供一种利用阳光来制造可在太阳下山后很长时间使用的燃料的方法。