研究人员通过照射沉积在光活化材料上的单个铜原子，成功地将二氧化碳转化为甲醇，这一发现为创造新型绿色燃料铺平了道路。一个由诺丁汉大学化学学院、伯明翰大学、昆士兰大学和乌尔姆大学的研究人员组成的国际团队设计出了一种材料，它由锚定在纳米氮化碳晶体上的铜构成。铜原子嵌套在纳米晶体结构中，使电子能够从氮化碳移动到二氧化碳，这是在太阳照射下从二氧化碳生产甲醇的重要步骤。该研究成果发表在英国皇家化学会的《可持续能源与燃料》杂志上。
研究人员开发出一种利用铜和纳米氮化碳晶将二氧化碳高效转化为甲醇的阳光动力工艺，标志着向可持续燃料生产和减少二氧化碳迈出了重要一步。上图为测试催化剂将二氧化碳转化为甲醇的反应器。资料来源：诺丁汉大学
效率和选择性的挑战
在光催化过程中，光线照射到半导体材料上会激发电子，使电子穿过材料与二氧化碳和水发生反应，从而产生各种有用的产品，包括作为绿色燃料的甲醇。尽管最近取得了一些进展，但这一过程仍存在效率和选择性不足的问题。
二氧化碳是导致全球变暖的最大因素。虽然可以将二氧化碳转化为有用的产品，但传统的热法依赖于化石燃料中的氢气。利用可持续的太阳能和无处不在的丰富水资源，开发基于光催化和电催化的替代方法非常重要。
改进催化的纳米级控制
诺丁汉大学化学学院研究员马达萨米-坦加穆图（Madasamy Thangamuthu）博士是研究小组的共同负责人："光催化使用的材料种类繁多。光催化剂吸收光并高效分离电荷载流子非常重要。在我们的方法中，我们在纳米尺度上控制材料。我们开发了一种新形式的氮化碳，它具有结晶纳米级畴，能够与光进行高效互动，并实现充分的电荷分离。
光将二氧化碳转化为甲醇（燃料）的过程。资料来源：诺丁汉大学
研究人员设计了一种将氮化碳加热到所需结晶度的工艺，最大限度地提高了这种材料在光催化方面的功能特性。利用磁控溅射技术，他们在无溶剂过程中沉积了原子铜，使半导体和金属原子得以亲密接触。
令人惊喜的效率提升
在诺丁汉大学化学学院开展实验工作的博士生塔拉-勒梅尔（Tara LeMercier）说："我们测量了光产生的电流，并以此作为判断催化剂质量的标准。即使不加铜，新型氮化碳的活性也比传统氮化碳高 44 倍。然而，出乎我们意料的是，每 1 克氮化碳中只需添加 1 毫克铜，效率就提高了四倍。最重要的是，选择性从甲烷（另一种温室气体）变成了甲醇（一种宝贵的绿色燃料）"。
诺丁汉大学化学学院的 Andrei Khlobystov 教授说："二氧化碳价值化是英国实现净零排放目标的关键。确保我们用于这一重要反应的催化剂材料的可持续性至关重要。这种新型催化剂的一大优势在于它由可持续元素组成--碳、氮和铜--这些元素在我们的星球上都非常丰富。"
本发明是深入了解二氧化碳转化过程中光催化材料的重要一步。它开辟了一条创造高选择性和可调整催化剂的途径，通过在纳米尺度上控制催化剂，可以调高所需的产物。
编译自:ScitechDaily