廉價催化劑讓光和二氧化碳變燃料,效率是植物光合作用13倍

2020-11-27 澎湃新聞

廉價催化劑讓光和二氧化碳變燃料，效率是植物光合作用13倍

澎湃新聞記者 王燦 賀梨萍 綜合報導

2017-06-08 19:32 來源：澎湃新聞

長期以來，科學家一直夢想能夠模仿光合作用，像植物一樣利用光能將二氧化碳和水製備成有機化合物，比如可作燃料使用的甲醇等。近期科學家研究發現新的廉價催化劑，可提高人工光合作用效率至13.4%，遠高於植物本身的光合作用效率1%。

上述研究人員來自瑞士聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）化學家Michael Grätzel的研究團隊。上述研究相關的論文於6月5日發表在國際學術期刊《自然》（Nature）雜誌的子刊《自然·能源》（Nature Energy）上。

實際上，所謂的人工光合作用需要先將二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣，然後再將一氧化碳和氫結合成有機物。這個過程需要使用催化劑且消耗能量。催化劑指的是，在化學反應裡能改變反應物化學反應速率（提高或降低）而不改變化學平衡，且本身的質量和化學性質在化學反應前後都沒有發生改變的物質。

在過去二十多年模仿光合作用的研究中，科學家已發現了許多催化劑，但這些催化劑多傾向於使用貴金屬（金Au、銀Ag、鈀Pd），而且高效靶向性催化一種特定產品還是一個挑戰。

近年來，一種廉價的氧化銅（CuO）衍生的催化劑受到科學家的歡迎，不過由於其選擇性差，將二氧化碳轉化成一氧化碳的效率仍不高。這種催化劑也可以使水分解，Grätzel表示，其使水分解的物質的量甚至比二氧化碳分解的物質的量還多。隨後的研究發現，在銦離子存在下使用氧化銅進行的電化學還原反應，可大大提高生成一氧化碳的量。最近，也有研究發現錫也能產生類似的效果。

圖片來自V. ALTOUNIAN/SCIENCE。

在前人的研究成果下，Grätzel的研究團隊使用原子沉積的方式，用氧化錫（SnO2）對氧化銅納米線電極的表面進行改性，成為二氧化碳在電化學還原為CO時具有高選擇性的催化劑，可以將90%的二氧化碳分子轉化為一氧化碳。他們將這種催化劑和太陽能電池連接後發現，太陽能和一氧化碳的自由能轉換效率為13.4%。據《科學》（Science報導，這要遠遠優於能夠以約1％的效率進行光合作用儲存能量的植物，甚至是將催化劑與微生物結合以產生燃料的最新混合方法。

據《科學》雜誌報導，美國國家可再生能源實驗室的可再生能源專家John Turner說，新的研究表現出「非常好的結果」。

美國加州理工學院的化學家Nate Lewis說，新的結果是其他最近的改進延伸，該結果也表明相關的研究正在取得進展。不過，Lewis也警告稱，目前將二氧化碳轉化為燃料的努力仍然保持在基礎研究領域，它們目前還遠不能以接近煉油的成本來生產燃料。

然而，目前可再生能源的偶爾激增性的供應可能會超出電網可承受的範圍，可能會給電網造成衝擊。所以，科學家們正在尋找一種可行的方式來存儲多餘的電力。Grätzel說，這可能也會進一步推動化學燃料在儲存能源的發展。

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關鍵詞 >> 光合作用,燃料,二氧化碳,催化劑

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