人造树叶用二氧化碳酿造液体燃料

MOTIAR RAHAMAN

人工光合作用的想法很诱人：这种装置可以吸收阳光和二氧化碳，然后在有水的情况下产生燃料。这些设计已经从2011年的分解水生产氢燃料的系统发展到最近的更复杂的系统，旨在通过利用水生产碳基燃料来减少二氧化碳。

但进展缓慢。多年来，研究人员成功地制造了高效生产氢气的系统，最近还设计了一种可以制造合成气的系统，合成气是一氧化碳和氢气的混合物，用于制造甲醇等其他产品。但直到现在，研究人员还没有找到一种可以直接酿造有用液体燃料的设备。

剑桥大学的研究人员现在制造了第一片可以将二氧化碳转化为液体燃料丙醇和乙醇的人造树叶。尽管其他人之前已经证明了二氧化碳通过电力转化为燃料，但《自然能源》杂志上报道的这项新工作（https://www.nature.com/articles/s41560-023-01262-3.epdf?sharing_token=RoIa8233tAPMuQJje5olONRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PfT1fzep6Z1nrblH9aj0Sex5VAqQrTjN5IoJqcB8zjp3d2GrVSgBj96vcBPpA1j1gtPh4K60PV0Fh26nWRw3YXJSn_oQEfBddFluMzH5czKqB57zpLJVu1E6IknZN9uXKPez8PaLVK3S92y506nURa9zddgUqC772Mgp_UdCIuVY_q0uTnZX0o1xFFbpleYGE%3D&tracking_referrer=spectrum.ieee.org）是利用阳光一步到位地直接从二氧化碳中生产清洁有用燃料的关键进展。

世界各地的科学家都在试图制造太阳能燃料，以将太阳能装瓶供日后使用，并消除大气中的二氧化碳排放。人工光合作用属于这一大类，可以通过几种方法来实现。一种是光催化，阳光直接照射在二氧化钛等光驱动催化剂上，引发化学反应，减少二氧化碳并分解水。

剑桥团队成员、剑桥大学化学研究员Motiar Rahaman解释说，剑桥团队采用了光电化学方法。这种方法涉及一种具有半导体光电极的电池，该光电极吸收阳光并产生电力，从而为催化剂驱动的化学反应提供动力。2019年，剑桥大学化学教授Erwin Reisner及其同事制造了第一个这样的人造叶片装置，该装置生产合成气，随后于2022年推出了这种装置的轻型浮动版本。

这些器件中的每一个都具有由光伏钙钛矿和钴催化剂组成的阴极，以及由光催化剂钒酸铋制成的阳极。当设备浸入水中时，钒酸铋吸收阳光，并触发阳极处的水分解过程。同时，在阴极，钙钛矿发电，驱动钴催化剂减少二氧化碳并产生合成气。

Rahaman、Reisner和团队现在已经用他们配制的一种特殊催化剂对该装置进行了升级，使该装置能够生产多碳醇而不是合成气。Rahaman说，铜是唯一已知的可以从二氧化碳中形成多碳产品的金属，但这个过程需要大量的能量。因此，研究人员用钯掺杂它，制成了一种双金属铜钯催化剂，这种催化剂“在低电势下完成这项工作，需要低能量”。

MOTIAR RAHAMAN

当在阳光下浸入水中时，该装置几乎立即激活并开始生产丙醇与乙醇比例为一比一的醇。研究人员让反应在实验室中进行20个小时，然后从反应器中分离出酒精。

Rahaman说，这还处于早期阶段，而且这个装置的侧面只有5毫米。它每平方厘米的面积只产生微升的酒精。但该团队正在通过优化光吸收材料以获得更多的阳光，并调整催化剂以将更多的二氧化碳转化为燃料，来提高设备的效率。他们还计划扩大该装置的规模，使其能够生产更大体积的燃料。

“这个设备仍然很小，因为我们刚刚发明了这项技术，”研究人员提到，“我们现在可以获得微升量的酒精。但我们已经发明了这门科学。现在，要想扩大规模，需要技术工程的努力。如果我们增加表面积，那么产品的量就会增加。”