長(zhǎng)期以來(lái),研究人員一直在試圖模仿光合作用,利用太陽(yáng)的能量來(lái)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(kāi)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(duì)化石燃料的依賴(lài)。
多倫多大學(xué)的化學(xué)家和太陽(yáng)能
專(zhuān)家Edward Sargent說(shuō),這項(xiàng)新工作是“令人興奮的進(jìn)步”,他沒(méi)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(guò)了煤炭,成為美國(guó)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(yáng)光生產(chǎn)甲烷基本上與該過(guò)程相反,從CO2和水開(kāi)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(lái)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(duì)。他們?cè)诩?xì)小的,似頭發(fā)的納米線的場(chǎng)頂上生長(zhǎng)出兩種金屬顆粒,這些納米線的作用類(lèi)似于微型太陽(yáng)能電池。細(xì)胞吸收陽(yáng)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(chēng),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(zhǎng)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(méi)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(zhǎng)的相同GaN納米線開(kāi)始。然后,他們使用一種稱(chēng)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(yáng)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(shuō),這種新型催化劑已于本月在《美國(guó)國(guó)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(shuō):“這降低了關(guān)鍵步驟的能量屏障。”
他說(shuō),該設(shè)置還有另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。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(yáng)光來(lái)制造可在太陽(yáng)下山后很長(zhǎng)時(shí)間使用的燃料的方法。
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