漂浮的人造树叶可将二氧化碳转化为燃料

VIRGIL ANDREI

这种新的人造叶子足够轻，可以漂浮在水面上，它可以吸收阳光和空气中的二氧化碳，并利用下面的水来生产燃料。

剑桥大学的研究人员在一条河上测试了他们100平方厘米的人造树叶装置。根据所用催化剂的不同，该装置要么将水分解生成氢燃料，要么将二氧化碳转化为合成气，即一氧化碳和氢的混合物，用于制造甲醇等其他燃料。研究人员表示，这些设备可以批量部署在咸水池塘、运河和海上，以避免与土地使用竞争。

剑桥大学化学研究员Virgil Andrei说：“我们正在尝试用一种集成的、简单的设备来模拟自然，这种设备可以利用水。”他领导了这项研究，并在《自然》杂志上发表了这项报告。他说：“我们的设备不仅可以像天然叶子一样工作，而且还具有叶子的灵活、轻量特性。”

多年来，科学家一直试图复制植物的光合能量生产能力。最终目标是人造叶子：一种被动装置，使用光伏材料收集阳光，然后在催化剂的帮助下将二氧化碳转化为燃料。自2011年哈佛大学的研究人员报告了第一片水分解人工叶子以来，许多团队一直在研究类似的技术，以减少二氧化碳，从而制造燃料、肥料和其他化学品。据了解，二氧化碳还原比分解水复杂得多，需要催化剂和反应参数的正确组合。

2019年，Andrei，化学教授Erwin Reisner和他们的同事报告了第一个可以制造合成气的人造叶子。他们使用钙钛矿光吸收剂和铂或钴催化剂进行反应。铂催化剂在阳光下将水分解成氧和氢，而钴则会将二氧化碳和水还原成合成气。但他们的设备，以及迄今为止报道的大多数其他设备，往往是仅在实验室环境中测试的小型原型。

剑桥团队为他们的新工作考虑了升级和商业化范畴。“我们认为，如果我们想将这项技术推向商业化，我们真的需要重新设计设备结构，”Andrei说，“一个想法是缩小设备。”

因此，研究小组用薄导电塑料基板取代了之前使用的厚玻璃基板。他们用钙钛矿、导电金属氧化物和聚合物以及钴或铂催化剂的层来覆盖它们，每层厚度为几微米。他们使用标准环氧树脂胶和石墨粉的混合物来覆盖这些层，以防止它们受潮。

这种轻量级设备在水中漂浮，在阳光下，它迅速产生合成气气泡，这进一步帮助设备漂浮。人工叶片在24小时的试验期间效果良好。它产生氢气和一氧化碳，每克的效率分别约为0.6%和0.05%。Andrei说，这组数据虽然不高，但与自然光合作用相当，后者的典型效率为0.5%到1%。

同时，他补充说，这样做的好处是，与其他太阳能燃料技术相比，原理上可以使这种设备更便宜，因为其他太阳能燃料依赖于单独的光伏电池和电化学电池来进行反应，并占用陆地空间。“你可以有一些非常简单和轻便的东西，可以部署在水上任何地方。”

Andrei说，该团队尚未进行技术经济分析，但他们计划很快进行。他们还致力于使该设备更轻，并找出部署它的最佳方式，无论是大塑料圆顶还是简单的密封塑料袋，并持续收集合成气或氢气以供使用。