將二氧化碳變廢為寶很難很費錢？現在有了不要錢的「盟友」

2020-09-04 科學大觀園雜誌


科學家Shaama Sharada等希望用光促還原反應，將二氧化碳轉化為有價值的產品。

自工業時代以來，地球大氣中的二氧化碳含量上升了約45%，這導致全球平均氣溫升高了近2攝氏度。如何緩解溫室效應，成為人類需要解決的最緊迫問題之一。

美國「物理學組織」網站當地時間9月1日消息稱，美國南加州大學科學家Sharada等近期在《物理化學雜誌A輯》中表示，他們希望通過分解二氧化碳，將這種溫室氣體轉化為有用的材料，比如燃料、藥品等。

通常，這種轉化過程需要消耗大量能量。然而，在完成首次運算研究後，Sharada團隊找到了一個高可持續性「盟友」：太陽。

具體說來，他們證明了紫外線對於激發有機分子低聚苯是非常有效的。一旦暴露在紫外線下，低聚苯就會變成帶負電荷的「陰離子」，很容易將電子轉移到鄰近的二氧化碳分子上，從而賦予二氧化碳反應活性，進一步轉化為有價值的產品。

Sharada介紹道：「眾所周知，讓二氧化碳發生還原反應的難度很大——它甚至能在大氣中存在幾十年之久。然而，這種帶負電荷的陰離子能夠還原諸如二氧化碳這樣的穩定物質。」

傳統意義上的二氧化碳轉化過程要麼消耗熱能，要麼消耗電能，並需要催化劑來加速反應。許多轉化反應是能源密集型的工藝，不利於減輕環境負擔。而利用陽光激發催化劑分子極具吸引力，因為它是高效能和可持續的。

Sharada解釋：「大部分方法都需要使用昂貴、稀少、有潛在毒性的稀土金屬。另一種替代方案是使用碳基有機催化劑促進光轉化過程。」然而，後者也有自身的缺點，這正是Sharada等努力攻克的難點。

他們使用量子化學模擬實驗，分析了電子在催化劑和二氧化碳之間的移動方式，以確定最優的催化劑種類。

Sharada等首次探究了電子從低聚苯這樣的有機分子轉移到二氧化碳的潛在機制。他們發現，通過對低聚苯催化劑進行系統性修飾，加入若干組原子，能夠將電子推向催化劑分子的中心，從而加速反應。

儘管面臨諸多挑戰，Sharada還是為團隊取得的進展感到興奮。她表示：「其中一個挑戰就是，你需要駕馭輻射，而在可見光區域中的輻射非常少。通常，你需要一個紫外線燈來實現它。」

Sharada表示，該團隊目前正在探索催化劑的設計策略，讓它不僅能加快反應速率，而且還能藉助量子化學和遺傳算法，讓分子能在可見光下被激發。

原創編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：雷鑫宇

期刊來源： 《物理化學雜誌A輯》

期刊編號： 1089-5639

原文連結： https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200901175409.htm

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