研究人員一直試圖模仿光合作用，利用太陽(yáng)的能量制造化學(xué)燃料�，F(xiàn)在，美國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新型銅—鐵基催化劑，可借助光將二氧化碳轉(zhuǎn)化為天然氣主要成分甲烷，這一方法是迄今最接近人造光合作用的方法。研究人員稱，新催化劑如獲進(jìn)一步改良，將降低人類對(duì)化石燃料的依賴。

   2020年1月出版的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》報(bào)道了這種新型催化劑，作為將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的光驅(qū)動(dòng)催化劑，其效率和產(chǎn)量是有史以來(lái)最高的。

   甲烷已超煤炭成為美國(guó)主要發(fā)電燃料。甲烷燃燒時(shí)會(huì)分解成二氧化碳和水，釋放出的熱量可發(fā)電。而利用陽(yáng)光制造甲烷則相反：二氧化碳、水，加電生成甲烷。但這種轉(zhuǎn)換并非易事——必須將八個(gè)電子和四個(gè)質(zhì)子加到一個(gè)二氧化碳分子中，才能形成一個(gè)甲烷分子，而每添加一個(gè)電子和質(zhì)子都需要能量來(lái)推動(dòng)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

   金屬催化劑可加速這些反應(yīng)。幾年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銅顆粒與吸光材料攜手，有望將二氧化碳轉(zhuǎn)化為能量更豐富的化合物，但這種方法的效率和速度都很低。2016年，研究人員報(bào)告稱，含有銅和金的催化劑可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳（工業(yè)上廣泛使用的化合物）。2019年3月，密歇根大學(xué)電氣工程師米澤田（音譯）及同事發(fā)現(xiàn)，在吸光氮化鎵（GaN）納米線陣列頂部生長(zhǎng)的釕—鋯基催化劑能將二氧化碳變?yōu)榱硪环N工業(yè)化合物。但上述諸多反應(yīng)都無(wú)法制造出能廣泛使用的燃料。

   現(xiàn)在，米澤田團(tuán)隊(duì)制造出的新催化劑解決了這一問(wèn)題。他們先在商用硅晶圓上生長(zhǎng)出氮化鎵納米線，然后用電沉積方法，朝其上添加5至10納米寬的顆粒（由銅和鐵組成）。得到的化合物在光照下，在二氧化碳和水存在時(shí)，可快速將光中51％的能量轉(zhuǎn)換為甲烷。

   米澤田表示，新催化劑是所有將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的光驅(qū)動(dòng)催化劑中，轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)量最高的。計(jì)算機(jī)模型表明，催化劑中的兩種金屬攜手與二氧化碳分子結(jié)合，使其更易于反應(yīng)并吸收進(jìn)入的電子。米澤田解釋道：“這降低了關(guān)鍵步驟的能量屏障。”

   研究人員稱，新催化劑的組成成分價(jià)格便宜，數(shù)量豐富，他們計(jì)劃進(jìn)一步提高甲烷生產(chǎn)的效率。■