科學(xué)家們更近一步構(gòu)建碳-回收系統(tǒng)，其能夠收集太陽(yáng)能以有效地將CO轉(zhuǎn)化2和水轉(zhuǎn)化為液體燃料。研究人員表示，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)的許多部分，它們現(xiàn)在可以驅(qū)動(dòng)雙電子化學(xué)反應(yīng)，這是單電子反應(yīng)的重大進(jìn)步，這種反應(yīng)是能量效率低下的。

這項(xiàng)研究在“ 自然化學(xué) ”雜志上發(fā)表，將幫助那些希望找到將大氣中過(guò)量二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用能源的方法，伊利諾伊大學(xué)化學(xué)教授Prashant Jain說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)新研究。

“科學(xué)家們經(jīng)常尋找工廠，以便深入了解將陽(yáng)光，二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為燃料的方法，”他說(shuō)。

當(dāng)太陽(yáng)能擊中植物葉子時(shí)，它會(huì)激發(fā)葉綠素中的電子。那些激發(fā)的電子最終驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖。

“這些化學(xué)反應(yīng)中有許多是多質(zhì)子，多電子反應(yīng)，”Jain說(shuō)。

但是，科學(xué)家們不再依賴可生物降解的植物色素將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而是轉(zhuǎn)向更好的東西：富金屬的金屬催化劑，如金，在特定的光強(qiáng)度和波長(zhǎng)下，可以將光激發(fā)的電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移到反應(yīng)物而不會(huì)降解或用完了。

“在我們的研究中，我們使用了尺寸為13到14納米的球形金顆粒，”Jain說(shuō)。“納米粒子具有獨(dú)特的光學(xué)特性，具體取決于它們的大小和形狀。”

例如，當(dāng)用聚合物涂覆并懸浮在水中時(shí)，納米顆粒吸收綠光并反射深紅色。在光激發(fā)下，納米粒子將電子轉(zhuǎn)移到探針?lè)肿?，然后分子改變顏色。這使得科學(xué)家們可以測(cè)量電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的發(fā)生效率。

“研究人員過(guò)去曾設(shè)法使用光化學(xué)和這些光吸收材料一次轉(zhuǎn)移一個(gè)電子，”Jain說(shuō)。“但在新的研究中，我們已經(jīng)確定了金屬納米粒子催化劑一次可以轉(zhuǎn)移兩個(gè)電子的原理，規(guī)則和條件。”

通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)中使用的激光強(qiáng)度，Jain和他的同事們發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)能強(qiáng)度的四到五倍的情況下，系統(tǒng)中的金納米粒子一次可以從乙醇轉(zhuǎn)移到兩個(gè)電子 - 電子 - 饑餓的探頭。

Jain說(shuō)，雙電子反應(yīng)遠(yuǎn)比單電子反應(yīng)好。

“你需要一對(duì)電子來(lái)在原子之間建立聯(lián)系，”他說(shuō)。“當(dāng)你不提供一對(duì)電子 - 和一對(duì)質(zhì)子來(lái)中和電子的損失時(shí) - 你最終會(huì)產(chǎn)生自由基，這些自由基具有很強(qiáng)的反應(yīng)性，可以反應(yīng)，浪費(fèi)你曾經(jīng)創(chuàng)造的能量它們也會(huì)與其他化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)或破壞催化劑。“

Jain還得出結(jié)論，他的實(shí)驗(yàn)室最近使用相同系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也需要多電子，多質(zhì)子轉(zhuǎn)移。在這些實(shí)驗(yàn)中，他的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化的CO 2為乙烷，雙碳化合物，其更多的能量富含比甲烷，其僅包含一個(gè)碳。Jain和他的同事們希望最終產(chǎn)生丙烷，其中含有三碳骨架，而丁烷則有四種。

“從化學(xué)的角度來(lái)看，了解將碳原子串在一起的規(guī)則很有意思，”Jain說(shuō)。“一次轉(zhuǎn)移一個(gè)以上的電子，在納米粒子催化劑表面一次激活一個(gè)以上的二氧化碳分子，可以讓我們獲得更高的碳?xì)浠衔铩?rdquo;

雖然新發(fā)現(xiàn)是向前邁出的重要一步，但在這項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備就緒并擴(kuò)大規(guī)模以應(yīng)對(duì)當(dāng)前挑戰(zhàn)之前，必須做更多的工作，Jain說(shuō)。

“還有很長(zhǎng)的路要走。我想我們會(huì)至少需要十年才能找到切實(shí)可行的CO 2 -sequestration，CO 2 -fixation，是經(jīng)濟(jì)上可行的燃料形成的技術(shù)，”他說(shuō)。“但是，對(duì)這一過(guò)程的每一次洞察都會(huì)提高研究界的發(fā)展速度。”