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美科学家开发出新型晶体材料:推进清洁燃料技术,减少温室气体!

导读

最近,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室与新加坡南洋理工大学的科学家们开发出一种光活性材料,它能够通过化学方法将二氧化碳转化为一氧化碳,且不会生成多余的副产物。

关键字

化学、温室气体、材料

背景

我们从一个化学常识说起:在化学中,“还原”代表着在反应中获得电子;而“氧化”代表着原子失去电子。关于二氧化碳的还原反应,一个非常著名的例子就是在光合作用中,植物从水中将电子转移至二氧化碳,同时生成碳水化物和氧气。

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(图片来源:维基百科)

二氧化碳的还原反应需要借助于催化剂,以打破分子内稳定的键。过去一个世纪以来,化石燃料快速消耗,对可再生能源的需求日益增长,科学界开始热衷于开发催化剂,利用太阳能还原二氧化碳。然而,其中一个重要的问题便是:消除二氧化碳还原反应中的竞争化学反应。所谓的竞争反应,是指在一个体系中,如果两个化学反应都有可能发生,并且消耗的反应物有相同的,那么两个反应为竞争反应。

创新

最近,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)与新加坡南洋理工大学(NTU)的科学家们领导的国际研究团队开发出一种光活性材料它能够通过化学方法将二氧化碳转化为一氧化碳,而且不会生成多余的副产物。研究成果于7月28日发表在《Science Advances》杂志。

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(图片来源:Marilyn Chung/Berkeley Lab)

这种材料具有“海绵状的”镍-有机(nickel-organic)晶体结构,当暴露于可见光时,它可以将反应室中的二氧化碳(CO2)转化为一氧化碳(CO)气体,还可以更进一步地转化为液体燃料、溶剂和其他有用的产品。

技术

在伯克利实验室,Zheng 与同事们开发出一种创新型的激光化学法,用于制造金属有机复合材料。他们将镍前体溶解于三甘醇溶液中,并且将溶液暴露于未聚焦的红外激光器的光线下,当金属吸收光线时,会在溶液中引起连锁反应。反应的结果就是形成金属有机复合材料,然后它会从溶液中被分离出来。

论文的合作领导作者、Zheng的实验室的材料科学家 Kaiyang Niu 说道:

当我们改变激光的波长后,我们会得到不同的复合材料。这就是为什么我们决定这个反应采用光激活,而不是热激活。

在分子铸造厂(位于伯克利实验室的美国能源部科学用户设施),研究人员描述了这种材料的结构。镍-有机光催化剂与金属-有机框架(MOFs)具有显著的相似之处。金属-有机框架具有常规的晶体结构,在有机和无机成分之间存在一个刚性连接器,这种新的光催化剂将不同长度的柔性连接器混合物和镍相连接,在架构中创造出缺陷。Niu 说:

创造缺陷是故意的,从而创造出更多可以发生催化反应的孔和点。相比于用传统的加热方法制造出的金属有机物框架,这种新材料更具活性和选择性

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(图片来源:Kaiyang Niu 和 Haimei Zheng/Berkeley Lab)

新加坡南洋理工大学的科学家们在充满二氧化碳的气室中测试了这种新材料。在固定的时间间隔内,他们采用气体色谱法和质谱法,对于反应产物进行了测量。他们判定在1小时的室温条件下,1克镍-有机的催化剂能生成16,000微摩尔或者400毫升的一氧化碳。此外,他们还判定这种催化剂稳定性很高,从而可以在更长时间内使用。

价值

这项研究成果标志着,科学家们朝着利用太阳能催化剂生产燃料和其他高能产物,同时又能降低温室气体含量的技术目标,迈出了重要一步。

通过催化剂还原二氧化碳并不是什么新鲜事,但是在这个过程中,其他材料的催化剂通常会生成多种化学物质。然而研究人员强调,通过这种金属材料的催化剂,生成的几乎完全是一氧化碳,这代表了新的选择性和控制水平。

研究人员解释了这种选择性是如何生成的。他们表示,光催化剂的结构使它更便于二氧化碳的阴离子绑定到还原区域,只为氢自由基的登陆留下了很小的空间。研究人员称,这将限制质子转化形成氢气。

研究人员通过加入铑或者银纳米晶体,进一步改善镍-有机催化剂,分别制造出甲酸和乙酸。甲酸,发现于蚂蚁的毒液和带刺的荨麻中;而乙酸,是醋的主要成分。二者都广泛应用于工业。更重要的是,研究人员提示这些产物的分子可以通过两个碳原子的链描述,因此他们朝着生成具有更多碳键的、更加高能的液体材料的目标又迈出了一步

伯克利实验室材料科学部门的在职科学家、论文的作者之一 Haimei Zheng 评论说:

“我们展示了近乎100%的CO生产的选择性,并且没有检测出任何竞争气体产物例如氢气或者甲烷。这是件了不起的事。在二氧化碳还原反应中,你想要得到一种产物,而不是不同东西的混合物。”

Zheng 说:

“在光催化的CO2到CO的转化过程中,完全抑制竞争性的析氢反应,在我们的研究之前,从来未被完成过。”

“现在,世界需要创新的方式取代化石燃料,以及降低大气中的二氧化碳含量。使用太阳能,将二氧化碳转化为燃料,是一项全球性的研究尝试。我们在这里展示的这种海绵状的镍有机的光催化剂,朝着利用太阳能实际制造高端的多碳燃料的目标,迈出了关键性的一步。”

参考资料

【1】http://newscenter.lbl.gov/2017/07/28/photocatalyst-grabs-co2-to-make-ingredients-for-fuel/

【2】http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1700921.full

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