一直以來(lái)，人們都被二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化所需的超高電勢(shì)所困擾，而該研究的獨(dú)特之處在于：大大改進(jìn)了人工光合作用的效率，能更高效更節(jié)能地將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂稀?/div>
伊利諾大學(xué)化學(xué)和生物工程教授、該科研小組負(fù)責(zé)人保羅·柯尼斯表示，他們采用氧化鈦材料制作了一種可以提高人工光合作用效率的催化劑。人工光合作用即將二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化成有用的碳基化學(xué)品，尤其是燃油或其他來(lái)源于石油的化合物，無(wú)需從生物質(zhì)中提取得到。
在自然界中，綠色植物的光合作用，以有機(jī)體吸收太陽(yáng)光，水和二氧化碳轉(zhuǎn)換為糖，來(lái)維持綠色植物自身的生長(zhǎng)?，F(xiàn)在科學(xué)家們所做的人工光合作用就是模擬這個(gè)過(guò)程。事實(shí)上，在整個(gè)過(guò)程中，光的吸收和催化很重要，人工模擬這兩步也很具有挑戰(zhàn)。
在人工光合作用中，電化學(xué)電池利用從太陽(yáng)能集熱器或風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的能量，將二氧化碳轉(zhuǎn)化成為簡(jiǎn)單的碳燃料，如甲酸或甲醇，進(jìn)而將其制成乙醇或其他燃料。不過(guò)，人工光合作用要想成為主流技術(shù)仍面臨著困難：將二氧化碳轉(zhuǎn)化成為一氧化碳的過(guò)程要耗費(fèi)大量能量。整個(gè)過(guò)程需要大量的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)上述反應(yīng)，以至于儲(chǔ)存的能量少于消耗的能量。
以前的研究顯示，當(dāng)二氧化碳和水反應(yīng)生成一氧化碳或者甲酸時(shí)，首先是要生成一種帶負(fù)電的二氧化碳中間體，再由這種中間體轉(zhuǎn)換為燃料。生成這種中間體需要很高的能量，這也是為什么二氧化碳的轉(zhuǎn)化一直需要高電勢(shì)的原因。
對(duì)此，科研小組表示，他們的離子液體催化劑能夠降低過(guò)程中所需的能量，離子液體可使反應(yīng)中間體穩(wěn)定，從而使得轉(zhuǎn)換過(guò)程需要更少的電力。為了降低所需的電能，科研小組創(chuàng)造了這個(gè)以離子溶劑為電解質(zhì)和催化劑的電化學(xué)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，水在正極上分解并釋放出氫離子，氫離子滲透并且與負(fù)極上的二氧化碳反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳。利用這個(gè)系統(tǒng)，二氧化碳只需要非常低的電能就可以轉(zhuǎn)化為合成氣體，為下一步有機(jī)化合物的合成提供很大便利。其中，合成氣體的生產(chǎn)效率可以達(dá)到80%以上。
柯尼斯表示：“人工光合作用最重要的一點(diǎn)是不會(huì)與人爭(zhēng)糧。與用生物質(zhì)發(fā)電相比，這種方法的發(fā)電成本更低。此外，這項(xiàng)研究還能減少對(duì)化石燃料的依賴，同時(shí)降低二氧化碳排放量。”
接下來(lái)，為了能讓這個(gè)離子液體催化劑可以達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用，科研小組需要最大限度地加快反應(yīng)速度，并使轉(zhuǎn)化率最大化。這一研究得到了美國(guó)能源部的大力支持。
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