高效二元铜铁催化剂可将二氧化碳还原为甲烷
2020-01-14 01:53:27   来源：东方头条   

电子显微镜图像显示的半导体纳米线， 它们将电子传递到金属纳米粒子，然后将二氧化碳和水转化为甲烷

美国密歇根大学，麦吉尔大学和麦克马斯特大学的科学家合作研发出一种新的人工光合作用方法，它利用阳光将二氧化碳转化为甲烷，可以帮助使天然气动力装置实现碳中和。

甲烷是天然气的主要成分。光合作用是绿色植物利用阳光利用二氧化碳和水为自己制造食物，释放副产物氧的过程。人工光合作用通常的目的是从相同的原料生产类似于天然气或汽油的碳氢燃料。

太阳能催化剂由丰富的材料制成，并且可以大规模生产。研究人员认为，这可能会在5到10年内将二氧化碳再循环为清洁燃烧的燃料。

密歇根大学的电气工程和计算机科学教授Zetian Mi与麦吉尔大学的材料工程教授Jun Song表示：“美国30％的能源来自天然气。如果我们能产生绿色甲烷，那将是很大的事情。”

将二氧化碳转化为甲烷是一个非常困难的过程。碳必须从二氧化碳中收集，因为二氧化碳是最稳定的分子之一，因此需要大量能量。同样，必须分解H2O水分子才能将氢连接到碳上。每个碳都需要四个氢原子才能转化为甲烷。

高效，廉价的电催化剂是关键。研究人员开发了一种二元铜铁催化剂，能够将二氧化碳通过光电方法还原为甲烷。

理论计算表明，二元铜铁催化剂中的铜和铁可以协同作用自发地支持二氧化碳，进而活化和转化甲烷合成。在阳光照射下，使用平面硅光电极，二元铜铁催化剂具有高电流密度和令人印象深刻的甲烷生产效率。

关键的催化剂成分是铜和铁的纳米颗粒。铜和铁通过它们的碳和氧原子固定在分子上，为氢腾出时间来使水分子碎片跃迁到碳原子上。

该设备是一种散布有铜和铁的纳米粒子的太阳能电池板。它可以利用太阳的能量或电流分解二氧化碳和水。其基本层是硅晶片，和太阳能电池板中的硅晶片不同。该晶片的顶部是纳米线，由半导体氮化镓制成，每个纳米线高300纳米（0.0003毫米），宽约30纳米。该装置产生了可以发生反应的大表面积。纳米颗粒斑点纳米线被水薄膜覆盖。该设备可以设计成仅在太阳能下运行，或者可以通过补充电力来提高甲烷的产量。依靠电力运行，该设备可能会在黑暗环境中运行。

在实践中，人造光合作用面板需要连接到浓二氧化碳源，比如从工业烟囱中捕获的二氧化碳。该装置还可以生成合成天然气或甲酸，这是动物饲料中的常见防腐剂。

这项研究为太阳能燃料的合成提供了一种独特，高效且廉价的途径。