将二氧化碳转化为可持续燃料的过程

　　

碳排放，碳中和，碳达峰，核心都是围绕着二氧化碳排放问题。二氧化碳被认为是全球变暖的最大元凶。虽然可以将二氧化碳转化为有用的产品，但传统的热方法依赖于来自化石燃料的氢。开发基于光催化和电催化的替代方法，利用可持续的太阳能和丰富的无所不在的水是很重要的。最近，研究人员通过将阳光照射到沉积在光活化材料上的单个铜原子上，成功地将二氧化碳转化为甲醇，这一发现为创造新的绿色燃料铺平了道路。

来自诺丁汉大学化学学院、伯明翰大学、昆士兰大学和乌尔姆大学的一个国际研究小组设计了一种材料，由铜锚定在纳米晶体氮化碳上。铜原子嵌套在纳米晶体结构中，这使得电子可以从氮化碳转移到二氧化碳，这是在太阳照射的影响下从二氧化碳生产甲醇的重要步骤。这项研究发表在英国皇家化学学会的《可持续能源与燃料杂志》上。

在光催化中，光照射在半导体材料上，激发电子，使它们能够穿过材料，与二氧化碳和水发生反应，产生各种有用的产品，包括甲醇，这是一种绿色燃料。尽管最近取得了进展，但这一进程缺乏效率和选择性。诺丁汉大学化学学院的研究员Madasamy Thangamuthu博士是该研究小组的共同领导，他说:“光催化中使用的材料种类繁多。重要的是光催化剂能高效地吸收光和分离载流子。在我们的方法中，我们在纳米尺度上控制材料。我们开发了一种具有晶体纳米级结构域的新型氮化碳，它可以与光进行有效的相互作用，并实现充分的电荷分离。”

研究人员设计了一种将氮化碳加热到所需结晶度的工艺，从而最大限度地提高了这种材料的光催化功能特性。利用磁控溅射，他们在无溶剂工艺中沉积了原子铜，使半导体和金属原子之间能够紧密接触。

在诺丁汉大学化学学院进行这项实验的博士生Tara LeMercier说:“我们测量了光产生的电流，并将其作为判断催化剂质量的标准。”即使不含铜，这种新型氮化碳的活性也是传统氮化碳的44倍。然而，令我们惊讶的是，每1克氮化碳加入1毫克铜，效率就会翻四番。最重要的是，选择性从另一种温室气体甲烷转变为有价值的绿色燃料甲醇。”

诺丁汉大学化学学院的Andrei Khlobystov教授说:“二氧化碳的稳定是实现英国净零排放目标的关键。对于这一重要反应，确保我们的催化剂材料的可持续性至关重要。这种新型催化剂的一大优势是它由碳、氮和铜等可持续元素组成，这些元素在我们的星球上都非常丰富。”

本发明是朝着深入了解二氧化碳转化中的光催化材料迈出的重要一步。它为创造高选择性和可调催化剂开辟了一条途径，通过在纳米尺度上控制催化剂，可以拨号获得所需的产物。

这项工作是由EPSRC项目资助的“表面和界面金属原子(MASI)可持续未来”www.masi.ac.uk，该项目旨在开发三种关键分子(二氧化碳、氢和氨)转化的催化剂材料，这三种分子对经济和环境至关重要。MASI催化剂是以原子效率的方式制造的，以确保化学元素的可持续利用，而不会耗尽稀有元素的供应，也不会制造出地球上大部分丰富的元素，如碳和贱金属。