人造“葉片”模擬光合作用高效制甲醇

美國(guó)耶魯大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)研制出一款新型人造“葉片”，能以創(chuàng)紀(jì)錄效率模擬光合作用，將陽光、水和二氧化碳直接合成液體燃料甲醇。甲醇產(chǎn)率是此前制醇的人造“葉片”的32倍。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》。

新系統(tǒng)凝聚了團(tuán)隊(duì)數(shù)十年的研究精髓：獨(dú)特的催化劑與創(chuàng)新的光電極。二者共同構(gòu)建出一套更強(qiáng)、更精簡(jiǎn)的轉(zhuǎn)化路徑，并可拓展至更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

團(tuán)隊(duì)此前已開發(fā)出這款催化劑，其利用電能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為甲醇，催化活性中心是酞菁鈷（或其衍生物）的單分子結(jié)構(gòu)。他們將該分子結(jié)構(gòu)錨定在碳納米管表面。碳納米管強(qiáng)度極高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，可源源不斷地將電子高速輸送到催化位點(diǎn)，從而把二氧化碳還原為甲醇。這是一個(gè)六電子還原過程，即向一個(gè)二氧化碳分子中注入六個(gè)電子。而在此發(fā)現(xiàn)之前，電子傳遞受限，止步于雙電子還原，分子催化劑只能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳等產(chǎn)物。

光電極則由一系列覆蓋著富勒烯碳的硅微柱陣列構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)具匠心，兼具理想的電荷產(chǎn)生與分離幾何結(jié)構(gòu)、量身定制的電子轉(zhuǎn)移界面以及更大的催化劑錨定表面積。

此次，團(tuán)隊(duì)將該光電極、催化劑與多結(jié)鈣鈦礦光伏微型模塊集成為獨(dú)立的太陽能燃料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了有史以來基于硅的二氧化碳到甲醇光電催化轉(zhuǎn)化的較高效率。其光轉(zhuǎn)化甲醇效率為0.8%，是此前人造“葉片”光轉(zhuǎn)醇紀(jì)錄的32倍。

這片新型“葉片”可從空氣中捕獲氣候變化的“元兇”二氧化碳，產(chǎn)出日益受到青睞的化學(xué)原料和替代液體燃料甲醇，開辟了一條可行的太陽能轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存新路徑。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化這款新“葉片”的結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)化效率。

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