新“光合作用”将二氧化碳变为甲烷

一种新的催化剂增加了使用可再生能源生产甲烷的希望，甲烷是用于加热和发电的天然气的主要成分。资料来源:MEHMETCAN/SHUTERSTOCK

长期以来，研究人员一直试图模拟光合作用，并利用太阳能生产化学燃料。现在，一个研究小组比以往任何时候都更接近这个目标——他们开发了一种新的铜和铁基催化剂，可以利用光将二氧化碳转化为甲烷，这是天然气的主要成分。如果进一步改进，新的催化剂将有助于减少人们对化石燃料的依赖。

新的研究是“令人兴奋的进步”。加拿大多伦多大学的化学家兼太阳能燃料专家爱德华·萨金特没有参与这项研究，他说，“生产甲烷的优势在于储存、分配和使用这种燃料的基础设施已经广泛存在”。

在美国，甲烷最近已经取代煤成为发电的主要燃料。当甲烷燃烧时，它会分解成二氧化碳和水，释放热量用于发电。利用阳光产生甲烷的过程正好相反，从二氧化碳和水开始，加上电来重新合成甲烷的化学键。

然而，实现这一转变并不容易。二氧化碳分子必须加上八个电子和四个质子才能形成甲烷分子。每个电子和质子的加入都需要能量来驱动转换。金属催化剂有助于促进这些反应。它们使每个反应物分子成为“伙伴”，使反应更容易发生，并减少能量消耗。

几年前，科学家发现，当与吸光材料结合时，铜粒子显示出将二氧化碳转化为更高能化合物的初始潜力，但效率和速度仍然很低。因此，研究人员试图将铜与其他金属结合起来。他们把两种金属粒子放在微小的毛发状纳米线上，设计成微型太阳能电池，可以吸收阳光并将其转化为电能，为催化剂的反应提供电子。

2016年，研究人员报告称，硅纳米线上含有铜和金的催化剂有助于将二氧化碳转化为一氧化碳。

2019年3月，密歇根大学安阿伯分校的电气工程师泽天米和他的同事发现，钌和锆基催化剂可以在吸光氮化镓(gan)纳米线阵列中有效地将二氧化碳转化为甲酸盐(一种工业上有用的化合物)。然而，这些努力都没有生产出可以广泛使用的燃料。

现在米和他的同事们已经找到了解决这个问题的办法。他们从商业硅片上生长的氮化镓纳米线开始，然后使用一种叫做电沉积的标准技术，添加5-10纳米宽的铜和铁颗粒。在有二氧化碳和水的情况下，该装置可以在光照下将51%的光能转化为甲烷，而且速度非常快。

其他研究人员以前已经实现了更高的太阳能甲烷生产效率，但工作速度太慢，不切实际。本月出版的《美国国家科学院院刊》报道说，这种新型催化剂，作为将二氧化碳转化为甲烷的光驱动催化剂，具有有史以来最高的效率和产量。计算机模拟显示，催化剂中的两种金属与二氧化碳分子结合，导致它们弯曲，从而更容易反应和吸收电子。"它降低了关键步骤的能量障碍."米说。

与许多其他光吸收剂和催化剂相比，这种方法的所有组分都是廉价和丰富的，并已用于工业。萨金特指出，下一步是提高甲烷生产的效率和速度，这是使现有系统可行的必要条件。一旦实现，新方法将提供一种利用阳光制造燃料的方法。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.1911159117