廉价催化剂让光和二氧化碳变燃料,效率是植物光合作用13倍

澎湃新闻记者 王灿 贺梨萍 综合报道

2017-06-08 19:32 来源:澎湃新闻

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长期以来,科学家一直梦想能够模仿光合作用,像植物一样利用光能将二氧化碳和水制备成有机化合物,比如可作燃料使用的甲醇等。近期科学家研究发现新的廉价催化剂,可提高人工光合作用效率至13.4%,远高于植物本身的光合作用效率1%。
上述研究人员来自瑞士联邦理工学院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne,EPFL)化学家Michael Grätzel的研究团队。上述研究相关的论文于6月5日发表在国际学术期刊《自然》(Nature)杂志的子刊《自然·能源》(Nature Energy)上。
实际上,所谓的人工光合作用需要先将二氧化碳分解为一氧化碳和氧气,然后再将一氧化碳和氢结合成有机物。这个过程需要使用催化剂且消耗能量。催化剂指的是,在化学反应里能改变反应物化学反应速率(提高或降低)而不改变化学平衡,且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。
在过去二十多年模仿光合作用的研究中,科学家已发现了许多催化剂,但这些催化剂多倾向于使用贵金属(金Au、银Ag、钯Pd),而且高效靶向性催化一种特定产品还是一个挑战。
近年来,一种廉价的氧化铜(CuO)衍生的催化剂受到科学家的欢迎,不过由于其选择性差,将二氧化碳转化成一氧化碳的效率仍不高。这种催化剂也可以使水分解,Grätzel表示,其使水分解的物质的量甚至比二氧化碳分解的物质的量还多。随后的研究发现,在铟离子存在下使用氧化铜进行的电化学还原反应,可大大提高生成一氧化碳的量。最近,也有研究发现锡也能产生类似的效果。
图片来自V. ALTOUNIAN/SCIENCE。
在前人的研究成果下,Grätzel的研究团队使用原子沉积的方式,用氧化锡(SnO2)对氧化铜纳米线电极的表面进行改性,成为二氧化碳在电化学还原为CO时具有高选择性的催化剂,可以将90%的二氧化碳分子转化为一氧化碳。他们将这种催化剂和太阳能电池连接后发现,太阳能和一氧化碳的自由能转换效率为13.4%。据《科学》(Science报道,这要远远优于能够以约1%的效率进行光合作用储存能量的植物,甚至是将催化剂与微生物结合以产生燃料的最新混合方法。
据《科学》杂志报道,美国国家可再生能源实验室的可再生能源专家John Turner说,新的研究表现出“非常好的结果”。
美国加州理工学院的化学家Nate Lewis说,新的结果是其他最近的改进延伸,该结果也表明相关的研究正在取得进展。不过,Lewis也警告称,目前将二氧化碳转化为燃料的努力仍然保持在基础研究领域,它们目前还远不能以接近炼油的成本来生产燃料。
然而,目前可再生能源的偶尔激增性的供应可能会超出电网可承受的范围,可能会给电网造成冲击。所以,科学家们正在寻找一种可行的方式来存储多余的电力。Grätzel说,这可能也会进一步推动化学燃料在储存能源的发展。
责任编辑:王灿澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 光合作用,燃料,二氧化碳,催化剂

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