廉价催化剂实现“光合作用”

 一种新的催化剂使得阳光能够以13.4%的效率转化为化学能。图片来源：i-Stockr/iStockphoto

本报讯 科学家一直梦想着能够模仿光合作用，利用阳光中的能量将二氧化碳和水结合在一起成为碳氢化合物燃料。如今，一种廉价的新型化学催化剂，利用来自太阳能电池的电能将二氧化碳分解成富含能量的一氧化碳和氧气，从而以创纪录的效率实现了部分过程。

 当然目前的转化率还不够高，不足以同像汽油这样的化石燃料展开竞争。但有朝一日，这项技术有望带来基本上利用阳光、水和二氧化碳（也是全球变暖的罪魁祸首）无限量合成液体燃料的方法。

 美国科罗拉多州国家可再生能源实验室可再生能源专家John Turner表示，新的工作是“一个非常好的结果”。

 研究人员指出，当二氧化碳被分解成氧气和一氧化碳时，转化就开始了，后者可以与氢结合从而制造各种碳氢燃料。例如，添加4个氢原子可以产生甲醇，这是一种能够驱动汽车的液体燃料。

 在过去的20年中，研究人员已经发现了一系列催化剂，能够实现第一步，即当电流通过水而产生气泡时分离二氧化碳。一种得到最充分研究的铜与氧的廉价而丰富的混合物被称为氧化铜。

 但长期从事分离二氧化碳催化剂研究的洛桑市瑞士联邦理工学院化学家Michael Graetzel指出，问题是，这些催化剂分离的水要比二氧化碳更多，从而最终形成了氢分子，这是一种不含有什么能量的化合物。

 Graetzel强调，锡似乎能够钝化帮助催化剂分离水的热点。其结果是，几乎所有的电流都用来合成更需要的一氧化碳。有了新的见解，Graetzel的团队尝试着加快催化剂的研制工作。

 为了实现这一目标，研究人员利用氧化铜纳米线重新制造了他们的电极，使其具有进行二氧化碳分解反应的一个高比表面，随后用一个原子厚的锡层覆盖在电极表面。

 Graetzel的研究小组在本周出版的《自然—能源》杂志上报告称，这个策略奏效了——它将90%的二氧化碳分子转化成一氧化碳，而氢和其他副产品则构成了其余部分。研究人员还把他们的装置安装在太阳能电池上，结果显示在被捕获的阳光中，有创纪录的13.4%的能量被转化为一氧化碳的化学键。 

研究人员指出，这比植物要好得多——它们储存的能量只有约1%的效率，而且它在最近将催化剂与微生物结合生成燃料的混合工艺中也是最棒的。

 帕萨迪纳加州理工学院化学家Nate Lewis认为，这一新结果与最近的其他改进相吻合，即使用不同的催化剂将二氧化碳转化为燃料。“总的来看，它们表明我们正在取得进展”Lewis说。但他同时警告称，目前将二氧化碳转化为燃料的努力仍处于基础研究领域，因为它们尚无法以接近精炼原油的价格生产燃料。 

尽管如此，可再生能源的爆炸性发电如今偶尔会产生比电网所能处理的更多的电力。所以科学家们正在寻找一种可行的方法来储存多余的电力。这可能推动化学燃料储存能量的进一步发展，Graetzel说。