新的化學(xué)方法將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值的燃料

長期以來，研究人員一直在試圖模仿光合作用，利用太陽的能量來產(chǎn)生化學(xué)燃料?，F(xiàn)在，一個團隊比以往任何時候都更接近這個目標。研究人員開發(fā)了一種新型的銅和鐵基催化劑，該催化劑使用光將二氧化碳(CO2)轉(zhuǎn)化為甲烷(天然氣的主要成分)。如果可以進一步改進新催化劑，它將有助于減少我們對化石燃料的依賴。

 

多倫多大學(xué)的化學(xué)家和太陽能專家Edward Sargent說，這項新工作是“令人興奮的進步”，他沒有參與這項研究。“產(chǎn)生甲烷的優(yōu)點是，用于存儲，分配和利用甲烷的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)廣泛使用。”

 

甲烷最近超過了煤炭，成為美國發(fā)電的主要燃料。燃燒時，甲烷分解成CO2和水，釋放出用于發(fā)電的熱量。利用陽光生產(chǎn)甲烷基本上與該過程相反，從CO2和水開始，并加電以重新形成甲烷的化學(xué)鍵。

 

但是，這種轉(zhuǎn)換并不容易。必須將八個電子和四個質(zhì)子添加到一分子的CO2中，以形成一分子的甲烷。添加每個電子和質(zhì)子需要能量來推動轉(zhuǎn)換的每個步驟。金屬催化劑可以幫助這些反應(yīng)。它們抓住了每個反應(yīng)的分子伴侶，使反應(yīng)更有可能，而能源成本卻更低。

 

幾年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將銅顆粒與吸光材料搭配使用，在將CO2轉(zhuǎn)化為能量更豐富的化合物方面顯示出最初的希望。但是他們這樣做的效率和速度仍然很低。因此，研究人員嘗試將銅與其他金屬配對。他們在細小的，似頭發(fā)的納米線的場頂上生長出兩種金屬顆粒，這些納米線的作用類似于微型太陽能電池。細胞吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，從而為反應(yīng)提供催化劑的電子。

 

2016年，研究人員報告稱，在集光的稻草狀硅納米線上方沉積了含有銅和金的催化劑，可將CO2轉(zhuǎn)化為一氧化碳，一氧化碳是工業(yè)上廣泛使用的化合物。2019年3月，密歇根大學(xué)安阿伯分校的電氣工程師Mi Zetian和他的同事發(fā)現(xiàn)，在吸光氮化鎵(GaN)納米線陣列頂部生長的釕和鋯基催化劑可以有效地將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。2甲酸酯，另一種工業(yè)上有用的化合物。但是這些努力都沒有產(chǎn)生廣泛使用的燃料。

 

現(xiàn)在，Mi和他的同事們想出了一個解決辦法。他們從在商用硅晶圓上生長的相同GaN納米線開始。然后，他們使用一種稱為電沉積的標準技術(shù)，添加了5至10納米寬的微小顆粒，該顆粒由銅和鐵的混合物組成。該裝置在光照下以及在CO2和水的存在下，將光中51%的能量轉(zhuǎn)換為甲烷，并以快速的方式工作。

 

以前，其他研究人員已經(jīng)獲得了更高的太陽能甲烷生產(chǎn)效率。但是它工作如此緩慢，這是不切實際的。Mi說，這種新型催化劑已于本月在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表，在將CO2轉(zhuǎn)化為甲烷的光驅(qū)動催化劑中，具有效率和產(chǎn)量最高的組合。計算機模型表明，催化劑中的兩種金屬共同作用以結(jié)合CO2分子，迫使它們彎曲的方式使其更易于反應(yīng)和吸收進入的電子。Mi說：“這降低了關(guān)鍵步驟的能量屏障。”

 

他說，該設(shè)置還有另一個主要優(yōu)勢。與許多其他產(chǎn)生燃料的光吸收劑和催化劑相反，當(dāng)前方法的所有組件價格便宜，數(shù)量豐富，并且已經(jīng)在工業(yè)中使用。薩金特(Sargent)指出，下一步可能會同時提高甲烷的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)率，這兩項要求都必須使當(dāng)前系統(tǒng)切實可行。如果發(fā)生這種情況，這種新方法可以為社會提供一種利用陽光來制造可在太陽下山后很長時間使用的燃料的方法。