迈向太阳能燃料的一步，持久的人工光合作用装置将两个碳链接在一起

Josiah02 · 发表于 2024-9-19 12:35:27

重新利用二氧化碳制造可持续燃料的关键一步是将碳原子连接在一起，密歇根大学开发的一种人工光合作用系统可以将其中两个碳原子结合成碳氢化合物，具有该领域领先的性能。
该系统生产乙烯的效率、产量和寿命远高于其他人工光合作用系统。乙烯是一种通常用于塑料的碳氢化合物，因此该系统的一个直接应用是收集二氧化碳，否则这些二氧化碳会被排放到大气中用于制造塑料。
密歇根大学电气与计算机工程系教授、《自然合成》杂志研究论文通讯作者 Zetian Mi 表示： “其性能、活性和稳定性比通常报道的太阳能或光驱动二氧化碳还原为乙烯的性能高出五到六倍。”
“乙烯实际上是世界上产量最大的有机化合物。但它通常是在高温高压条件下用石油和天然气生产的，而这些过程都会排放二氧化碳。 ”
长期目标是将更长的碳和氢原子链串联起来，生产出易于运输的液体燃料。挑战之一是从二氧化碳中去除所有氧气作为碳源，将水 H2O作为氢源。
该装置通过两种半导体吸收光线：氮化镓纳米线森林，每根只有 50 纳米（几百个原子）宽，以及生长这些纳米线的硅基。将水和二氧化碳转化为乙烯的反应发生在铜簇上，每个铜簇约有 30 个原子，散布在纳米线上。
将纳米线浸入富含二氧化碳的水中，并暴露在相当于中午太阳的光线下。光能释放出电子，电子会分裂氮化镓纳米线表面附近的水。这会产生氢气以供给乙烯反应，同时也会产生氧气，氮化镓会吸收氧气变成氧化氮化镓。
铜擅长抓住氢并抓住二氧化碳中的碳，将其转化为一氧化碳。有了氢和光的能量注入，研究小组认为两个一氧化碳分子与氢结合在一起。据信，反应在铜和氮化镓氧化物的界面处完成，两个氧原子被剥离，并被分解水中的三个氢原子取代。
研究小组发现，半导体在光照下产生的自由电子中，有 61%参与了乙烯反应。虽然另一种以银和铜为基础的催化剂也能达到类似的效率，约为 50%，但它需要在碳基流体中运行，而且只能运行几个小时就会降解。相比之下，密歇根大学研究小组的设备运行了 116 个小时，没有出现任何减速，而且该团队已经运行了类似的设备 3000 个小时。
这在一定程度上是因为氮化镓和水分解过程之间的协同关系：氧气的加入改善了催化剂，并实现了自修复过程。未来我们将探索该设备寿命的极限。
最后，该装置生产乙烯的速率比最接近的竞争系统高出四倍多。
密歇根大学电气与计算机工程助理研究员、论文第一作者张兵兴表示：“未来我们想要生产一些其他多碳化合物，比如含有三个碳的丙醇或液体产品。”
液体燃料可以使许多现有的运输技术变得可持续，这是米先生的最终目标。

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