由U of T Engineering研究人員創(chuàng)造的新催化劑使他們更接近人工光合作用 - 這一系統(tǒng)就像植物一樣，將使用可再生能源將二氧化碳(CO 2)轉化為儲存的化學能。通過捕獲碳排放和存儲來自太陽能或風能的能量，本發(fā)明在對抗氣候變化方面提供了一兩個打擊。

“碳捕獲和可再生能源是兩種有前途的技術，但存在問題，”今天發(fā)表在“ 自然 - 化學”雜志上的一篇論文的主要作者之一Phil De Luna說。“碳捕獲技術價格昂貴，太陽能和風能是間歇性的。你可以用電池來儲存能量，但是電池不會在整個大西洋上為飛機提供動力，也不會在整個冬天給家里供暖：因為你需要燃料。 “

De Luna和他的共同主要作者Xueli Zheng和Bo Zhang - 他們在Ted Sargent教授的指導下開展工作 - 旨在立即解決這兩個挑戰(zhàn)，他們正在尋求大自然的靈感。他們正在設計一個人工系統(tǒng)，模仿植物和其他光合生物如何利用太陽光將CO轉化2加水和成，人類可以在以后使用的燃料分子。

與植物一樣，它們的系統(tǒng)由兩個相互關聯(lián)的化學反應組成：一個將H 2 O分解為質(zhì)子和氧氣，另一個將CO 2轉化為一氧化碳或CO。(CO可以通過一個轉化為烴燃料建立了稱為Fischer-Tropsch合成的工業(yè)過程。)

“在過去的幾年里，我們的團隊已經(jīng)為第一次和第二次反應開發(fā)了非常高性能的催化劑，”負責這項工作的張說，他是U of T的博士后研究員，現(xiàn)在是教授。在復旦大學。“但是當?shù)诙N催化劑在中性條件下工作時，第一種催化劑需要高pH值才能最活躍。”

這意味著當兩者結合時，整個過程不盡可能高效，因為當在系統(tǒng)的兩個部分之間移動帶電粒子時能量會丟失。

該團隊現(xiàn)在通過開發(fā)第一反應的新催化劑 - 將水分解為質(zhì)子和氧氣的催化劑來克服這個問題。與之前的催化劑不同，這種催化劑在中性pH下工作，在這些條件下，它的性能優(yōu)于之前報道的任何其他催化劑。

“它具有較低的過電位，這意味著需要更少的電能來推動反應，”鄭先生說，他現(xiàn)在是斯坦福大學的博士后學者。“最重要的是，使用能夠在與CO 2轉化反應相同的中性pH下工作的催化劑會降低電池的整體潛力。”

在該文件中，該團隊報告該系統(tǒng)的整體電化學功率轉換效率為64%。根據(jù)De Luna的說法，這是有史以來最高的價值，包括以前的系統(tǒng)，只有54%。

新催化劑由鎳，鐵，鈷和磷制成，所有元素都是低成本的，幾乎沒有安全隱患。它可以在室溫下使用相對便宜的設備合成，并且團隊表明只要他們測試它就會保持穩(wěn)定，總共100小時。

憑借其改進的催化劑，Sargent實驗室正在努力建立其中試規(guī)模的人工光合作用系統(tǒng)。目標是捕獲CO 2從煙道氣中-例如，從天然氣燒發(fā)電廠-和使用該催化體系以有效地將其轉換成液體燃料。

“我們必須確定正確的操作條件：流速，電解質(zhì)濃度，電位，”De Luna說。“從現(xiàn)在開始，這都是工程學的。”

該團隊及其發(fā)明是NRG COSIA Carbon XPRIZE的半決賽選手，這是一項2000萬美元的挑戰(zhàn)，旨在“開發(fā)突破性技術，將發(fā)電廠和工業(yè)設施的CO排放轉化為有價值的產(chǎn)品。”

該項目是國際和多學科合作的結果。薩斯喀徹溫省的加拿大光源提供了用于探測催化劑電子特性的高能X射線。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的分子鑄造廠進行了理論建模工作。財務和實物支持由自然科學與工程研究委員會，加拿大創(chuàng)新基金會，天津大學，復旦大學和北京光源提供。

至于讓他在整個項目中保持動力的原因，De Luna指出有機會對社會面臨的一些最大的環(huán)境挑戰(zhàn)產(chǎn)生影響。

“看到該領域的快速發(fā)展非常令人興奮，”他說。“在我們實驗室內(nèi)每周或每月舉行的會議上，人們都在左右砸碎記錄。仍然有很大的發(fā)展空間，但我真的很喜歡這項研究，碳排放量是如此之大，以至于任何改進感覺就像一個真正的成就。“