新催化剂可以大大促进人工光合作用

由U of T Engineering研究人员创造的新催化剂使他们更接近人工光合作用 - 这一系统就像植物一样，将使用可再生能源将二氧化碳(CO 2)转化为储存的化学能。通过捕获碳排放和存储来自太阳能或风能的能量，本发明在对抗气候变化方面提供了一两个打击。

“碳捕获和可再生能源是两种有前途的技术，但存在问题，”今天发表在“ 自然 - 化学”杂志上的一篇论文的主要作者之一Phil De Luna说。“碳捕获技术价格昂贵，太阳能和风能是间歇性的。你可以用电池来储存能量，但是电池不会在整个大西洋上为飞机提供动力，也不会在整个冬天给家里供暖：因为你需要燃料。 “

De Luna和他的共同主要作者Xueli Zheng和Bo Zhang - 他们在Ted Sargent教授的指导下开展工作 - 旨在立即解决这两个挑战，他们正在寻求大自然的灵感。他们正在设计一个人工系统，模仿植物和其他光合生物如何利用太阳光将CO转化2加水和成，人类可以在以后使用的燃料分子。

与植物一样，它们的系统由两个相互关联的化学反应组成：一个将H 2 O分解为质子和氧气，另一个将CO 2转化为一氧化碳或CO。(CO可以通过一个转化为烃燃料建立了称为Fischer-Tropsch合成的工业过程。)

“在过去的几年里，我们的团队已经为第一次和第二次反应开发了非常高性能的催化剂，”负责这项工作的张说，他是U of T的博士后研究员，现在是教授。在复旦大学。“但是当第二种催化剂在中性条件下工作时，第一种催化剂需要高pH值才能最活跃。”

这意味着当两者结合时，整个过程不尽可能高效，因为当在系统的两个部分之间移动带电粒子时能量会丢失。

该团队现在通过开发第一反应的新催化剂 - 将水分解为质子和氧气的催化剂来克服这个问题。与之前的催化剂不同，这种催化剂在中性pH下工作，在这些条件下，它的性能优于之前报道的任何其他催化剂。

“它具有较低的过电位，这意味着需要更少的电能来推动反应，”郑先生说，他现在是斯坦福大学的博士后学者。“最重要的是，使用能够在与CO 2转化反应相同的中性pH下工作的催化剂会降低电池的整体潜力。”

在该文件中，该团队报告该系统的整体电化学功率转换效率为64%。根据De Luna的说法，这是有史以来最高的价值，包括以前的系统，只有54%。

新催化剂由镍，铁，钴和磷制成，所有元素都是低成本的，几乎没有安全隐患。它可以在室温下使用相对便宜的设备合成，并且团队表明只要他们测试它就会保持稳定，总共100小时。

凭借其改进的催化剂，Sargent实验室正在努力建立其中试规模的人工光合作用系统。目标是捕获CO 2从烟道气中-例如，从天然气烧发电厂-和使用该催化体系以有效地将其转换成液体燃料。

“我们必须确定正确的操作条件：流速，电解质浓度，电位，”De Luna说。“从现在开始，这都是工程学的。”

该团队及其发明是NRG COSIA Carbon XPRIZE的半决赛选手，这是一项2000万美元的挑战，旨在“开发突破性技术，将发电厂和工业设施的CO排放转化为有价值的产品。”

该项目是国际和多学科合作的结果。萨斯喀彻温省的加拿大光源提供了用于探测催化剂电子特性的高能X射线。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的分子铸造厂进行了理论建模工作。财务和实物支持由自然科学与工程研究委员会，加拿大创新基金会，天津大学，复旦大学和北京光源提供。

至于让他在整个项目中保持动力的原因，De Luna指出有机会对社会面临的一些最大的环境挑战产生影响。

“看到该领域的快速发展非常令人兴奋，”他说。“在我们实验室内每周或每月举行的会议上，人们都在左右砸碎记录。仍然有很大的发展空间，但我真的很喜欢这项研究，碳排放量是如此之大，以至于任何改进感觉就像一个真正的成就。“