新「光合作用」將二氧化碳變為甲烷

一種新的催化劑增加了利用可再生能源產生甲烷的希望，甲烷是用於取暖和發電的天然氣的主要成分。圖片來源：MEHMETCAN

　　長期以來，研究人員一直試圖模擬光合作用，利用太陽的能量產生化學燃料。現在，一支研究團隊比以往任何時候都更接近這個目標——他們開發了一種新的銅和鐵基催化劑，可利用光將二氧化碳轉化為天然氣的主要成分甲烷。如果經過進一步改進，新的催化劑將有助於減少人們對化石燃料的依賴。

　　這項新研究是「令人興奮的進步」。未參與該項研究的加拿大多倫多大學化學家、太陽能燃料專家Edward Sargent說：「產生甲烷的好處在於儲存、分配和利用這種燃料的基礎設施已經廣泛存在。」

　　在美國，甲烷最近超過煤成為發電的主要燃料。當甲烷燃燒時，它會分解成二氧化碳和水，釋放出用於發電的熱量。利用陽光產生甲烷的過程則相反，從二氧化碳和水開始，再加上電來重鑄甲烷的化學鍵。

　　然而，實現這一轉化並不容易。8個電子和4個質子必須加到一個二氧化碳分子中才能形成一個甲烷分子。每個電子和質子的加入都需要能量來推動轉化。金屬催化劑可以幫助促進這些反應，它們抓住每個反應分子「夥伴」，使反應更有可能發生，並減少能量消耗。

　　幾年前，科學家發現，當與吸光材料結合時，銅微粒在將二氧化碳轉化為更富能量的化合物方面展示出初步的潛力，但是效率和速度仍然很低。因此，研究人員嘗試將銅與其他金屬結合。他們將兩種金屬微粒置於細小的、毛髮狀的納米線上，這些納米線的設計就像微型太陽能電池，能夠吸收陽光並將其轉化為電能，為催化劑的反應提供電子。

　　2016年，研究人員報告稱，矽納米線上含銅和金的催化劑有助於將二氧化碳轉化為一氧化碳。

　　2019年3月，美國密西根大學安娜堡分校電氣工程師Zetian Mi及其同事發現，在吸光的氮化鎵（GaN）納米線陣列中，一種基於釕和鋯的催化劑能有效地將二氧化碳轉化為甲酸鹽（一種工業上有用的化合物）。但這些努力都沒有產生可被廣泛使用的燃料。

　　現在，Mi和同事已經找到了解決這個問題的方法。他們從生長在商用矽晶圓上的GaN納米線入手，然後使用一種叫作電沉積的標準技術，將5～10納米寬、由銅和鐵混合而成的微粒加入其中。在二氧化碳和水存在的情況下，該裝置在光照時能將光中51%的能量轉化為甲烷，而且速度很快。

　　其他研究人員此前已經達到了更高的太陽能甲烷生成效率，但工作速度太慢，不切實際。本月出版的美國《國家科學院院刊》報導了這種新型催化劑，作為將二氧化碳轉化為甲烷的光碟機動催化劑，其效率和產量是有史以來最高的。計算機模擬顯示，催化劑中的兩種金屬與二氧化碳分子結合，使其產生彎曲，從而更容易發生反應並吸收電子。「它降低了關鍵步驟的能量屏障。」Mi說。

　　與其他許多光吸收劑和催化劑相比，這一方法的所有組件都是廉價且豐富的，並且已經在工業上使用。Sargent指出，下一步要提高甲烷生產的效率和速度，這是使現行系統可行的必要條件。一旦實現，新方法將提供一種利用陽光製造燃料的方法。