一種新的催化劑增加了利用可再生能源產(chǎn)生甲烷的希望，甲烷是用于取暖和發(fā)電的天然氣的主要成分。圖片來(lái)源：MEHMETCAN

長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直試圖模擬光合作用，利用太陽(yáng)的能量產(chǎn)生化學(xué)燃料。現(xiàn)在，一支研究團(tuán)隊(duì)比以往任何時(shí)候都更接近這個(gè)目標(biāo)——他們開(kāi)發(fā)了一種新的銅和鐵基催化劑，可利用光將二氧化碳轉(zhuǎn)化為天然氣的主要成分甲烷。如果經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，新的催化劑將有助于減少人們對(duì)化石燃料的依賴。

這項(xiàng)新研究是“令人興奮的進(jìn)步”。未參與該項(xiàng)研究的加拿大多倫多大學(xué)化學(xué)家、太陽(yáng)能燃料專家Edward Sargent說(shuō)：“產(chǎn)生甲烷的好處在于儲(chǔ)存、分配和利用這種燃料的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)廣泛存在。”

在美國(guó)，甲烷最近超過(guò)煤成為發(fā)電的主要燃料。當(dāng)甲烷燃燒時(shí)，它會(huì)分解成二氧化碳和水，釋放出用于發(fā)電的熱量。利用陽(yáng)光產(chǎn)生甲烷的過(guò)程則相反，從二氧化碳和水開(kāi)始，再加上電來(lái)重鑄甲烷的化學(xué)鍵。

然而，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化并不容易。8個(gè)電子和4個(gè)質(zhì)子必須加到一個(gè)二氧化碳分子中才能形成一個(gè)甲烷分子。每個(gè)電子和質(zhì)子的加入都需要能量來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)化。金屬催化劑可以幫助促進(jìn)這些反應(yīng)，它們抓住每個(gè)反應(yīng)分子“伙伴”，使反應(yīng)更有可能發(fā)生，并減少能量消耗。

幾年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與吸光材料結(jié)合時(shí)，銅微粒在將二氧化碳轉(zhuǎn)化為更富能量的化合物方面展示出初步的潛力，但是效率和速度仍然很低。因此，研究人員嘗試將銅與其他金屬結(jié)合。他們將兩種金屬微粒置于細(xì)小的、毛發(fā)狀的納米線上，這些納米線的設(shè)計(jì)就像微型太陽(yáng)能電池，能夠吸收陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為電能，為催化劑的反應(yīng)提供電子。

2016年，研究人員報(bào)告稱，硅納米線上含銅和金的催化劑有助于將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳。

2019年3月，美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校電氣工程師Zetian Mi及其同事發(fā)現(xiàn)，在吸光的氮化鎵(GaN)納米線陣列中，一種基于釕和鋯的催化劑能有效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸鹽(一種工業(yè)上有用的化合物)。但這些努力都沒(méi)有產(chǎn)生可被廣泛使用的燃料。

現(xiàn)在，Mi和同事已經(jīng)找到了解決這個(gè)問(wèn)題的方法。他們從生長(zhǎng)在商用硅晶圓上的GaN納米線入手，然后使用一種叫作電沉積的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，將5～10納米寬、由銅和鐵混合而成的微粒加入其中。在二氧化碳和水存在的情況下，該裝置在光照時(shí)能將光中51%的能量轉(zhuǎn)化為甲烷，而且速度很快。

其他研究人員此前已經(jīng)達(dá)到了更高的太陽(yáng)能甲烷生成效率，但工作速度太慢，不切實(shí)際。本月出版的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》報(bào)道了這種新型催化劑，作為將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的光驅(qū)動(dòng)催化劑，其效率和產(chǎn)量是有史以來(lái)最高的。計(jì)算機(jī)模擬顯示，催化劑中的兩種金屬與二氧化碳分子結(jié)合，使其產(chǎn)生彎曲，從而更容易發(fā)生反應(yīng)并吸收電子。“它降低了關(guān)鍵步驟的能量屏障。”Mi說(shuō)。

與其他許多光吸收劑和催化劑相比，這一方法的所有組件都是廉價(jià)且豐富的，并且已經(jīng)在工業(yè)上使用。Sargent指出，下一步要提高甲烷生產(chǎn)的效率和速度，這是使現(xiàn)行系統(tǒng)可行的必要條件。一旦實(shí)現(xiàn)，新方法將提供一種利用陽(yáng)光制造燃料的方法。