人工树叶：将二氧化碳变回燃料

材料牛注：发电厂和汽车发动机燃烧化石燃料产生的二氧化碳逐步在大气中积累，造成了温室效应。在美国阿贡国家实验室能源部和芝加哥伊利诺伊州立大学进行的一项新研究中，研究团队构建了一片“人工树叶”， 可以利用光照将二氧化碳转化为可用能源。

为了和日益加剧的气候变化作斗争，来自世界各地的科学家和政府决策者开始将注意力放在罪魁祸首二氧化碳上。植物可以吸收大气中的二氧化碳将其转化为储存能量的糖，但这个过程相当缓慢。

在美国阿贡国家实验室能源部和芝加哥伊利诺伊州立大学进行的一项新研究中，研究者们发现了一种利用光照将二氧化碳转化为可用能源的方法。

转化二氧化碳主要的挑战之一是它相对的化学惰性。该研究报告的作者，阿贡国家实验室的化学家Larry Curtiss 说：“就二氧化碳本身而言，很难将它转化为其他物质。”

为了将二氧化碳转化为可用能源，Curtiss和他的同事们需要找到一个能使二氧化碳更容易反应的催化剂。植物使用称之为酶的有机催化剂将大气中的二氧化碳转化为糖。研究者们则选择了金属化合物二硒化钨，它们制成的纳米薄片能够最大限度地提高表面面积，并露出它的活性边缘。

当植物用它们的催化剂制造糖的同时，阿贡实验室的研究者们将二氧化碳转化为了一氧化碳。虽然一氧化碳也是温室气体，但是它比二氧化碳的反应活跃性强很多，并且科学家们已有方法将一氧化碳转化为可用能源，例如甲醇。研究报告的另一作者，阿贡实验室的物理学家Peter Zapol 说：“从一氧化碳出发制造燃料就像行走时下坡一样简单，然而试图直接将二氧化碳转化为可用能源则是费力的上坡路。”

虽然将二氧化碳转化为一氧化碳的反应过程与大自然中的不同，但它也像光合作用一样会有相应的投入。Curtiss说：“在光合作用中，树木需要从光、水和二氧化碳中获取能量来制造燃料。在我们的实验中，原料是相同的，但产物不同。”

该反应的设置和自然反应极其相似，以至于研究团队可以构建一片“人工树叶”，完成整个反应的三步曲。第一步，入射的光子被转化为负电子对和相应的正电荷“孔洞”，彼此分离。第二步，孔洞与水发生反应，生成质子和氧分子。最后一步，质子、电子和二氧化碳反应生成一氧化碳和水。

“我们需要燃烧如此多的烃类化合物，煤、石油和汽油等等。能够在光照下制造化学燃料，使之成为可重复利用的能源，这将对我们会产生极大的影响。”Zapol 说道。同时为了实现经济的目标，需要反应的能量损失最小，也就是反应必须高效。“这个反应的效率越低，就需要越高的能源成本来转化二氧化碳，因此有一个高效的反应是至关重要的！”

Curtiss表明，二硒化钨同样是耐用的催化剂，可以持续使用超过100个小时，这对于催化剂来说是极高的时效。

该研究报告发表在杂志Science上。大部分的实验工作是在芝加哥伊利诺伊州立大学完成，而计算工作则是在阿贡国家实验室进行。

原文链接：A new leaf: Scientists turn carbon dioxide back into fuel.

文献链接：Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid.

本文由编辑部黄语嫣提供素材，Meadow编译，点我加入材料人编辑部。

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