人造樹葉用二氧化碳釀造液體燃料

MOTIAR RAHAMAN

人工光合作用的想法很誘人：這種裝置可以吸收陽光和二氧化碳，然后在有水的情況下產生燃料。這些設計已經從2011年的分解水生產氫燃料的系統發展到最近的更復雜的系統，旨在通過利用水生產碳基燃料來減少二氧化碳。

但進展緩慢。多年來，研究人員成功地制造了高效生產氫氣的系統，最近還設計了一種可以制造合成氣的系統，合成氣是一氧化碳和氫氣的混合物，用于制造甲醇等其他產品。但直到現在，研究人員還沒有找到一種可以直接釀造有用液體燃料的設備。

劍橋大學的研究人員現在制造了第一片可以將二氧化碳轉化為液體燃料丙醇和乙醇的人造樹葉。盡管其他人之前已經證明了二氧化碳通過電力轉化為燃料，但《自然能源》雜志上報道的這項新工作（https://www.nature.com/articles/s41560-023-01262-3.epdf?sharing_token=RoIa8233tAPMuQJje5olONRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PfT1fzep6Z1nrblH9aj0Sex5VAqQrTjN5IoJqcB8zjp3d2GrVSgBj96vcBPpA1j1gtPh4K60PV0Fh26nWRw3YXJSn_oQEfBddFluMzH5czKqB57zpLJVu1E6IknZN9uXKPez8PaLVK3S92y506nURa9zddgUqC772Mgp_UdCIuVY_q0uTnZX0o1xFFbpleYGE%3D&tracking_referrer=spectrum.ieee.org）是利用陽光一步到位地直接從二氧化碳中生產清潔有用燃料的關鍵進展。

世界各地的科學家都在試圖制造太陽能燃料，以將太陽能裝瓶供日后使用，并消除大氣中的二氧化碳排放。人工光合作用屬于這一大類，可以通過幾種方法來實現。一種是光催化，陽光直接照射在二氧化鈦等光驅動催化劑上，引發化學反應，減少二氧化碳并分解水。

劍橋團隊成員、劍橋大學化學研究員Motiar Rahaman解釋說，劍橋團隊采用了光電化學方法。這種方法涉及一種具有半導體光電極的電池，該光電極吸收陽光并產生電力，從而為催化劑驅動的化學反應提供動力。2019年，劍橋大學化學教授Erwin Reisner及其同事制造了第一個這樣的人造葉片裝置，該裝置生產合成氣，隨后于2022年推出了這種裝置的輕型浮動版本。

這些器件中的每一個都具有由光伏鈣鈦礦和鈷催化劑組成的陰極，以及由光催化劑釩酸鉍制成的陽極。當設備浸入水中時，釩酸鉍吸收陽光，并觸發陽極處的水分解過程。同時，在陰極，鈣鈦礦發電，驅動鈷催化劑減少二氧化碳并產生合成氣。

Rahaman、Reisner和團隊現在已經用他們配制的一種特殊催化劑對該裝置進行了升級，使該裝置能夠生產多碳醇而不是合成氣。Rahaman說，銅是唯一已知的可以從二氧化碳中形成多碳產品的金屬，但這個過程需要大量的能量。因此，研究人員用鈀摻雜它，制成了一種雙金屬銅鈀催化劑，這種催化劑“在低電勢下完成這項工作，需要低能量”。

MOTIAR RAHAMAN

當在陽光下浸入水中時，該裝置幾乎立即激活并開始生產丙醇與乙醇比例為一比一的醇。研究人員讓反應在實驗室中進行20個小時，然后從反應器中分離出酒精。

Rahaman說，這還處于早期階段，而且這個裝置的側面只有5毫米。它每平方厘米的面積只產生微升的酒精。但該團隊正在通過優化光吸收材料以獲得更多的陽光，并調整催化劑以將更多的二氧化碳轉化為燃料，來提高設備的效率。他們還計劃擴大該裝置的規模，使其能夠生產更大體積的燃料。

“這個設備仍然很小，因為我們剛剛發明了這項技術，”研究人員提到，“我們現在可以獲得微升量的酒精。但我們已經發明了這門科學。現在，要想擴大規模，需要技術工程的努力。如果我們增加表面積，那么產品的量就會增加。”