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Nature子刊:靠阳光、水和二氧化碳,制造清洁能源



研究人员研发出了一套设备,可独立运行,将阳光、二氧化碳和水转化为碳中性燃料,无需任何额外组件或者电力。该设备由剑桥大学团队研制而成,向人工光合作用的实现迈出了重要一步:这一过程模仿植物将阳光转化为能量的能力。设备基于先进的“光片”(photosheet)技术,能够将阳光、二氧化碳和水转化成氧气和甲酸(一种可直接使用或者转化为氢的可存储燃料)。

图片来源:University of Cambridge

图片来源:University of Cambridge

来源 剑桥大学

翻译  阿金

审校 戚译引

《自然-能源》(Nature Energy)报告了这一成果,展示了一种将二氧化碳转化成清洁燃料的新方法。这套无线设备的规模扩大后,可用于能源“农场”,类似于太阳能农场,使用阳光和水产生清洁燃料。

收集太阳能将二氧化碳转化成燃料,是减少二氧化碳排放、逐渐放弃化石燃料的有效方法。然而,要生产出不含不必要副产物的清洁燃料仍具挑战。

“一直以来,都难以实现具有高度选择性的人造光合作用,也就是说尽可能将阳光转化成你想要的燃料,而不是同时产生一大堆废料。”来自剑桥化学系的 Qian Wang 博士说。

“此外,气体燃料的储存和副产物的分离相当复杂,我们想要搞清楚,如何能干净地制造出易于储存和运输的液体燃料。”该论文的资深作者 Erwin Reisner 教授补充说。

2019 年,Reisner 团队的研究人员研制出一种基于“人造叶片”设计的太阳能反应器,使用阳光、二氧化碳和水生成一种称作合成气体(syngas)的燃料。而本次新技术的表现和行为相当类似于“人造叶片”,但是工作原理不同,产物是甲酸。

而且人造叶片使用的是来自太阳能电池的组件,但新设备无需这些组件,只依靠嵌在薄片上的光催化剂,成为所谓的光催化片。这些薄片由半导体粉末制成,容易大量制备,价格低廉。

除此之外,这一新技术更稳健,产生的清洁燃料更容易储存,具有大规模生成燃料产物的潜力。测试单位的大小为20平方厘米,但研究人员说,要将其规模扩大成几平方米应该相对简单。同时,甲酸能够在溶液中积聚,采用化学手段可转化成不同类型的燃料。

“我们惊异于该技术的高度选择性,它几乎不会产生什么副产物。”Wang 说,“有时候事情确实会和预期不同,但这次效果确实更好,实在罕见。”

二氧化碳转化钴基催化剂容易实现,且相对稳定。虽然与人造叶片相比,该技术规模更容易扩大,但其效能仍需改进,然后再考虑投入商业使用。研究人员正在用不同类型的催化剂进行实验,以同时增强稳定性和效能。

获得目前的成果还有赖于东京大学 Kazunari Domen 教授团队的合作,他也是该研究的共同作者。

目前研究人员正在进一步优化系统,提升效能。此外,他们也在探索其他催化剂,用到这一设备中以获取不同太阳能燃料。

Reisner 说:“我们希望这一技术将会为具有实用价值的可持续太阳能燃料生产开拓道路。”