人工樹葉：將二氧化碳變回燃料

材料牛注：發電廠和汽車發動機燃燒化石燃料產生的二氧化碳逐步在大氣中積累，造成了溫室效應。在美國阿貢國家實驗室能源部和芝加哥伊利諾伊州立大學進行的一項新研究中，研究團隊構建了一片“人工樹葉”， 可以利用光照將二氧化碳轉化為可用能源。

為了和日益加劇的氣候變化作斗爭，來自世界各地的科學家和政府決策者開始將注意力放在罪魁禍首二氧化碳上。植物可以吸收大氣中的二氧化碳將其轉化為儲存能量的糖，但這個過程相當緩慢。

在美國阿貢國家實驗室能源部和芝加哥伊利諾伊州立大學進行的一項新研究中，研究者們發現了一種利用光照將二氧化碳轉化為可用能源的方法。

轉化二氧化碳主要的挑戰之一是它相對的化學惰性。該研究報告的作者，阿貢國家實驗室的化學家Larry Curtiss 說：“就二氧化碳本身而言，很難將它轉化為其他物質。”

為了將二氧化碳轉化為可用能源，Curtiss和他的同事們需要找到一個能使二氧化碳更容易反應的催化劑。植物使用稱之為酶的有機催化劑將大氣中的二氧化碳轉化為糖。研究者們則選擇了金屬化合物二硒化鎢，它們制成的納米薄片能夠最大限度地提高表面面積，并露出它的活性邊緣。

當植物用它們的催化劑制造糖的同時，阿貢實驗室的研究者們將二氧化碳轉化為了一氧化碳。雖然一氧化碳也是溫室氣體，但是它比二氧化碳的反應活躍性強很多，并且科學家們已有方法將一氧化碳轉化為可用能源，例如甲醇。研究報告的另一作者，阿貢實驗室的物理學家Peter Zapol 說：“從一氧化碳出發制造燃料就像行走時下坡一樣簡單，然而試圖直接將二氧化碳轉化為可用能源則是費力的上坡路。”

雖然將二氧化碳轉化為一氧化碳的反應過程與大自然中的不同，但它也像光合作用一樣會有相應的投入。Curtiss說：“在光合作用中，樹木需要從光、水和二氧化碳中獲取能量來制造燃料。在我們的實驗中，原料是相同的，但產物不同。”

該反應的設置和自然反應極其相似，以至于研究團隊可以構建一片“人工樹葉”，完成整個反應的三步曲。第一步，入射的光子被轉化為負電子對和相應的正電荷“孔洞”，彼此分離。第二步，孔洞與水發生反應，生成質子和氧分子。最后一步，質子、電子和二氧化碳反應生成一氧化碳和水。

“我們需要燃燒如此多的烴類化合物，煤、石油和汽油等等。能夠在光照下制造化學燃料，使之成為可重復利用的能源，這將對我們會產生極大的影響。”Zapol 說道。同時為了實現經濟的目標，需要反應的能量損失最小，也就是反應必須高效。“這個反應的效率越低，就需要越高的能源成本來轉化二氧化碳，因此有一個高效的反應是至關重要的！”

Curtiss表明，二硒化鎢同樣是耐用的催化劑，可以持續使用超過100個小時，這對于催化劑來說是極高的時效。

該研究報告發表在雜志Science上。大部分的實驗工作是在芝加哥伊利諾伊州立大學完成，而計算工作則是在阿貢國家實驗室進行。

原文鏈接：A new leaf: Scientists turn carbon dioxide back into fuel.

文獻鏈接：Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid.

本文由編輯部黃語嫣提供素材，Meadow編譯，點我加入材料人編輯部。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com