人工模拟光合作用，变废为宝

材料牛注：模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家早已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。与常见的模拟光合作用不太一样，本文中不是利用贵金属催化剂来催化水分解产生氢，而是利用金属铑催化，将温室气体CO2转化为重要燃料甲烷。

研究人员设计了铑纳米颗粒（蓝色），它可以利用紫外线中的能量，并用它来催化二氧化碳转化为甲烷，而甲烷是各种燃料的关键组成部分。

使用轻质而微小的稀有金属铑的纳米颗粒，杜克大学的研究人员已经找到了一种方法能帮助将二氧化碳转化为一种许多燃料的基本组成部分。 新发现的化学反应可以利用自然阳光以减小大气中的CO2的增长水平，同时促进了替代能量的发展，而且不产生不想要的副产物，例如有毒的一氧化碳。紫外光催化反应利用与铂类似的银白色元素铑的纳米颗粒作为催化剂。 使用光而非热不仅更高效，而且更重要的是它更有利于形成目标产物甲烷。这对于太空旅行者来说是一个很好的消息，因为甲烷是SpaceX为前往火星备选的燃料之一。

“我们发现，当我们把光照在铑纳米结构上时，我们可以迫使化学反应偏向于一个方向进行。”杜克大学物理系兼职教授，阿拉巴马陆军航空与导弹RD＆E中心的高级研究科学家亨利·埃维特（Henry Everitt）说 ：“所以我们选择一种用光而不能用热量的方式进行反应。”将由合成的铑纳米管组成的粉末材料置于反应室中，然后使二氧化碳和氢气的混合物通过该材料。 当用高功率紫外LED照射纳米颗粒时，与通常用生成甲烷的反应相比，该反应在室温下发生，并且几乎仅产生甲烷，而通常情况需要在300℃（576°F）的加热条件，并且产生甲烷和有毒一氧化碳的等当量的混合物。

科学家指出这种能够控制反应的输出的能力即为其选择性。“如果反应只有50％的选择性，那么成本将是如果选择性接近100％时的成本的两倍”， Jie Liu教授在杜克大学的实验室的研究生Xiao Zhang说。 “如果选择性非常高，你也可以通过不必提纯产品从而节省了时间和能源。

这一进展来源于等离子体激元场，同时包括使用光来为纳米级微小的金属添加能量。 我们已经看到，在众多应用中，这种方法产生了新的太阳能电池和数据存储的成果。铑是用于实验的候选物，因为尽管稀少，它已经用作催化剂来催化加速包括肥料、洗涤剂和药物的生产的工业过程， 它也不乏用在汽车排气系统中的催化转化器。

“等离子体激元金属纳米颗粒像一些天线，非常有效地吸收可见光或紫外光，可以做许多事情，如产生强电场，”埃里特说。 “在过去的几年里，人们已经认识到这种性质可能被应用到催化中。”接下来，研究人员将看到光是否可以驱动其中使用加热过的铑作为催化剂的其它反应。 他们还希望调整这项研究的结果，使其专门与阳光作用，希望太阳能反应可以成为可再生能源系统的一部分。

原文链接：Nanoparticles of rare metal and light convert carbon dioxide into fuel.

文献链接：Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation.