新型光活性催化劑：將二氧化碳變為燃料！

科技 07-30

導讀

最近，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室與新加坡南洋理工大學的科學家們開發出一種光活性材料，它能夠通過化學方法將二氧化碳轉化為一氧化碳，且不會生成多餘的副產物。

關鍵字

化學、溫室氣體、材料

背景

我們從一個化學常識說起：在化學中，「還原」代表著在反應中獲得電子；而「氧化」代表著原子失去電子。關於二氧化碳的還原反應，一個非常著名的例子就是在光合作用中，植物從水中將電子轉移至二氧化碳，同時生成碳水化物和氧氣。

新型光活性催化劑：將二氧化碳變為燃料！

（圖片來源：維基百科）

二氧化碳的還原反應需要藉助於催化劑，以打破分子內穩定的鍵。過去一個世紀以來，化石燃料快速消耗，對可再生能源的需求日益增長，科學界開始熱衷於開發催化劑，利用太陽能還原二氧化碳。然而，其中一個重要的問題便是：消除二氧化碳還原反應中的競爭化學反應。所謂的競爭反應，是指在一個體系中，如果兩個化學反應都有可能發生，並且消耗的反應物有相同的，那麼兩個反應為競爭反應。

創新

最近，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）與新加坡南洋理工大學（NTU）的科學家們領導的國際研究團隊開發出一種光活性材料，它能夠通過化學方法將二氧化碳轉化為一氧化碳，而且不會生成多餘的副產物。研究成果於7月28日發表在《Science Advances》雜誌。

新型光活性催化劑：將二氧化碳變為燃料！

（圖片來源：Marilyn Chung/Berkeley Lab）

這種材料具有「海綿狀的」鎳-有機（nickel-organic）晶體結構，當暴露於可見光時，它可以將反應室中的二氧化碳（CO2）轉化為一氧化碳（CO）氣體，還可以更進一步地轉化為液體燃料、溶劑和其他有用的產品。

技術

在伯克利實驗室，Zheng 與同事們開發出一種創新型的激光化學法，用於製造金屬有機複合材料。他們將鎳前體溶解於三甘醇溶液中，並且將溶液暴露於未聚焦的紅外激光器的光線下，當金屬吸收光線時，會在溶液中引起連鎖反應。反應的結果就是形成金屬有機複合材料，然後它會從溶液中被分離出來。

論文的合作領導作者、Zheng的實驗室的材料科學家 Kaiyang Niu 說道：

「當我們改變激光的波長後，我們會得到不同的複合材料。這就是為什麼我們決定這個反應採用光激活，而不是熱激活。」

在分子鑄造廠（位於伯克利實驗室的美國能源部科學用戶設施），研究人員描述了這種材料的結構。鎳-有機光催化劑與金屬-有機框架（MOFs）具有顯著的相似之處。金屬-有機框架具有常規的晶體結構，在有機和無機成分之間存在一個剛性連接器，這種新的光催化劑將不同長度的柔性連接器混合物和鎳相連接，在架構中創造出缺陷。Niu 說：

「創造缺陷是故意的，從而創造出更多可以發生催化反應的孔和點。相比於用傳統的加熱方法製造出的金屬有機物框架，這種新材料更具活性和選擇性」

新型光活性催化劑：將二氧化碳變為燃料！

（圖片來源：Kaiyang Niu 和 Haimei Zheng/Berkeley Lab）

新加坡南洋理工大學的科學家們在充滿二氧化碳的氣室中測試了這種新材料。在固定的時間間隔內，他們採用氣體色譜法和質譜法，對於反應產物進行了測量。他們判定在1小時的室溫條件下，1克鎳-有機的催化劑能生成16,000微摩爾或者400毫升的一氧化碳。此外，他們還判定這種催化劑穩定性很高，從而可以在更長時間內使用。

價值

這項研究成果標誌著，科學家們朝著利用太陽能催化劑生產燃料和其他高能產物，同時又能降低溫室氣體含量的技術目標，邁出了重要一步。

通過催化劑還原二氧化碳並不是什麼新鮮事，但是在這個過程中，其他材料的催化劑通常會生成多種化學物質。然而研究人員強調，通過這種金屬材料的催化劑，生成的幾乎完全是一氧化碳，這代表了新的選擇性和控制水平。

研究人員解釋了這種選擇性是如何生成的。他們表示，光催化劑的結構使它更便於二氧化碳的陰離子綁定到還原區域，只為氫自由基的登陸留下了很小的空間。研究人員稱，這將限制質子轉化形成氫氣。

研究人員通過加入銠或者銀納米晶體，進一步改善鎳-有機催化劑，分別製造出甲酸和乙酸。甲酸，發現於螞蟻的毒液和帶刺的蕁麻中；而乙酸，是醋的主要成分。二者都廣泛應用於工業。更重要的是，研究人員提示這些產物的分子可以通過兩個碳原子的鏈描述，因此他們朝著生成具有更多碳鍵的、更加高能的液體材料的目標又邁出了一步。

伯克利實驗室材料科學部門的在職科學家、論文的作者之一 Haimei Zheng 評論說：