人造樹(shù)葉用二氧化碳釀造液體燃料

人工光合作用的想法很誘人：這種裝置可以吸收陽(yáng)光和二氧化碳，然后在有水的情況下產(chǎn)生燃料。這些設(shè)計(jì)已經(jīng)從2011年的分解水生產(chǎn)氫燃料的系統(tǒng)發(fā)展到最近的更復(fù)雜的系統(tǒng)，旨在通過(guò)利用水生產(chǎn)碳基燃料來(lái)減少二氧化碳。

但進(jìn)展緩慢。多年來(lái)，研究人員成功地制造了高效生產(chǎn)氫氣的系統(tǒng)，最近還設(shè)計(jì)了一種可以制造合成氣的系統(tǒng)，合成氣是一氧化碳和氫氣的混合物，用于制造甲醇等其他產(chǎn)品。但直到現(xiàn)在，研究人員還沒(méi)有找到一種可以直接釀造有用液體燃料的設(shè)備。

劍橋大學(xué)的研究人員現(xiàn)在制造了第一片可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體燃料丙醇和乙醇的人造樹(shù)葉。盡管其他人之前已經(jīng)證明了二氧化碳通過(guò)電力轉(zhuǎn)化為燃料，但《自然能源》雜志上報(bào)道的這項(xiàng)新工作（https://www.nature.com/articles/s41560-023-01262-3.epdf?sharing_token=RoIa8233tAPMuQJje5olONRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PfT1fzep6Z1nrblH9aj0Sex5VAqQrTjN5IoJqcB8zjp3d2GrVSgBj96vcBPpA1j1gtPh4K60PV0Fh26nWRw3YXJSn_oQEfBddFluMzH5czKqB57zpLJVu1E6IknZN9uXKPez8PaLVK3S92y506nURa9zddgUqC772Mgp_UdCIuVY_q0uTnZX0o1xFFbpleYGE%3D&tracking_referrer=spectrum.ieee.org）是利用陽(yáng)光一步到位地直接從二氧化碳中生產(chǎn)清潔有用燃料的關(guān)鍵進(jìn)展。

世界各地的科學(xué)家都在試圖制造太陽(yáng)能燃料，以將太陽(yáng)能裝瓶供日后使用，并消除大氣中的二氧化碳排放。人工光合作用屬于這一大類，可以通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種是光催化，陽(yáng)光直接照射在二氧化鈦等光驅(qū)動(dòng)催化劑上，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，減少二氧化碳并分解水。

劍橋團(tuán)隊(duì)成員、劍橋大學(xué)化學(xué)研究員Motiar Rahaman解釋說(shuō)，劍橋團(tuán)隊(duì)采用了光電化學(xué)方法。這種方法涉及一種具有半導(dǎo)體光電極的電池，該光電極吸收陽(yáng)光并產(chǎn)生電力，從而為催化劑驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力。2019年，劍橋大學(xué)化學(xué)教授Erwin Reisner及其同事制造了第一個(gè)這樣的人造葉片裝置，該裝置生產(chǎn)合成氣，隨后于2022年推出了這種裝置的輕型浮動(dòng)版本。

這些器件中的每一個(gè)都具有由光伏鈣鈦礦和鈷催化劑組成的陰極，以及由光催化劑釩酸鉍制成的陽(yáng)極。當(dāng)設(shè)備浸入水中時(shí)，釩酸鉍吸收陽(yáng)光，并觸發(fā)陽(yáng)極處的水分解過(guò)程。同時(shí)，在陰極，鈣鈦礦發(fā)電，驅(qū)動(dòng)鈷催化劑減少二氧化碳并產(chǎn)生合成氣。

Rahaman、Reisner和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)用他們配制的一種特殊催化劑對(duì)該裝置進(jìn)行了升級(jí)，使該裝置能夠生產(chǎn)多碳醇而不是合成氣。Rahaman說(shuō)，銅是唯一已知的可以從二氧化碳中形成多碳產(chǎn)品的金屬，但這個(gè)過(guò)程需要大量的能量。因此，研究人員用鈀摻雜它，制成了一種雙金屬銅鈀催化劑，這種催化劑“在低電勢(shì)下完成這項(xiàng)工作，需要低能量”。

MOTIAR RAHAMAN

當(dāng)在陽(yáng)光下浸入水中時(shí)，該裝置幾乎立即激活并開(kāi)始生產(chǎn)丙醇與乙醇比例為一比一的醇。研究人員讓反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行20個(gè)小時(shí)，然后從反應(yīng)器中分離出酒精。

Rahaman說(shuō)，這還處于早期階段，而且這個(gè)裝置的側(cè)面只有5毫米。它每平方厘米的面積只產(chǎn)生微升的酒精。但該團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)優(yōu)化光吸收材料以獲得更多的陽(yáng)光，并調(diào)整催化劑以將更多的二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料，來(lái)提高設(shè)備的效率。他們還計(jì)劃擴(kuò)大該裝置的規(guī)模，使其能夠生產(chǎn)更大體積的燃料。

“這個(gè)設(shè)備仍然很小，因?yàn)槲覀儎倓偘l(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)，”研究人員提到，“我們現(xiàn)在可以獲得微升量的酒精。但我們已經(jīng)發(fā)明了這門科學(xué)?，F(xiàn)在，要想擴(kuò)大規(guī)模，需要技術(shù)工程的努力。如果我們?cè)黾颖砻娣e，那么產(chǎn)品的量就會(huì)增加。”