美国阿尔贡国家实验室：将CO2转化为可用燃料
当世界各地的科学家和政策制定者设法应对增多的气候变化时，他们关注到罪魁祸首：二氧化碳（CO2）。发电厂和汽车引擎燃烧化石燃料产生的 CO2 在大气中继续累积，加剧全球变暖。但是树木和其它植物只能慢慢捕获大气中的二氧化碳，将它转化为糖并储存能量。
来自美国能源部阿尔贡国家实验室和芝加哥伊利诺伊大学一项新的研究中，研究人员已找到一种类似的使用阳光将 CO2 转化为一种可用能源方式。CO2 化学性质相对稳定。“就其本身而言，将 CO2 转换成别的东西是很难的。”负责这项研究的化学家拉里·柯蒂斯说。
为把 CO2 变成可用的燃料，柯蒂斯及其同事们需要找到一种催化剂。这种催化剂是一种特定的可以使 CO2 更容易反应的化合物。当将大气中的二氧化碳转化为糖，植物利用了称为酶的有机催化剂；研究人员使用一种被称为二硒化钨的金属化合物，其被制成纳米片以使比表面积最大并探索优势活性。当植物利用自身的催化剂制糖，阿尔贡国家实验室的研究人员则用他们的催化剂把 CO2 转化成 CO。尽管 CO 也是一种温室气体，它比 CO2 更易反应，但科学家已经有方法把 CO 转化为可用燃料如甲醇。“从 CO 制造燃料就很容易，如同‘走下坡路’，而试图直接从 CO2 制造燃料就非常困难，如同‘走上坡路’，”阿尔贡国家实验室该研究的另一个作者物理学家彼得·扎珀说。
虽然将 CO2 转化为 CO 的反应不同于在自然界中发现的，如同光合作用它需要相同的基本电子输入。柯蒂斯说：“在光合作用中，为了制造自身的燃料，树木需要来自光、水和 CO2 的能量；在我们的实验中，配料成分是一样的，但产品是不同的。”。反应的设置非常类似于自然的，研究团队能够构造一种“人工叶”，它可以完成整个三步反应途径。在第一步中，入射光子—光数据包--转换为一对带负电荷的电子和相应带正电荷的“空穴（或电洞）”，然后彼此分开。在第二步中，电洞和水分子发生反应，产生质子和氧分子。最后，质子、电子和 CO2 一起反应生成CO 和水。
“我们燃烧如此多不同种类的碳氢化合物—如煤炭、石油或天然气--找到一种十分经济的方法来制造在阳光作用下更可重复使用的化学燃料可能会有巨大的影响。”扎珀说。朝着这个目标，研究还表明，反应以最小的能量损失发生——反应是非常有效的。“反应效率越低，二氧化碳循环的能量消耗越高，因此一个有效的反应是至关重要的，”扎珀说。据柯蒂斯称，二硒化钨催化剂也很耐用，持续时间超过 100 小时——需要催化剂触及的高杠。
该研究“纳米结构过渡金属硫族化合物电催化剂降低离子液体 CO2”发表在《自然》上。实验工作大部分在芝加哥伊利诺伊大学进行，而阿尔贡主要进行计算工作。该研究由美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会提供资金。
