新的化學(xué)方法將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)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(gè)團(tuán)隊(duì)比以往任何時(shí)候都更接近這個(gè)目標(biāo)。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(jìn)一步改進(jìn)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(xiàng)新工作是“令人興奮的進(jìn)步”，他沒有參與這項(xiàng)研究。“產(chǎn)生甲烷的優(yōu)點(diǎn)是，用于存儲(chǔ)，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(shí)，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(gè)電子和四個(gè)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(gè)電子和質(zhì)子需要能量來推動(dòng)轉(zhuǎn)換的每個(gè)步驟。金屬催化劑可以幫助這些反應(yīng)。它們抓住了每個(gè)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(xì)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(xì)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(bào)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dòng)催化劑中，具有效率和產(chǎn)量最高的組合。計(jì)算機(jī)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(jìn)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(gè)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(jià)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(huì)同時(shí)提高甲烷的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)率，這兩項(xiàng)要求都必須使當(dāng)前系統(tǒng)切實(shí)可行。如果發(fā)生這種情況，這種新方法可以為社會(huì)提供一種利用陽光來制造可在太陽下山后很長時(shí)間使用的燃料的方法。