人工光合作用的突破以创纪录的效率将二氧化碳转化为乙烯

米泽天实验室的实验装置，他的团队在这里制备了一种人工光合作用装置，可以将二氧化碳和水转化为乙烯，向制造太阳能燃料迈出了一步。 潘宇阳用灯光照射该装置。 资料来源：密歇根大学电气与计算机工程系 Silvia Cardarelli

这种突破性的系统生产乙烯的效率、产量和寿命都远远高于其他人工光合作用系统。 由于乙烯是一种通常用于塑料的碳氢化合物，该系统的直接应用将是收集二氧化碳，否则这些二氧化碳将被排放到大气中用于制造塑料。

在米泽天的实验室里，电子与计算机工程系博士生、《自然-合成》杂志研究报告的共同作者潘宇阳正在检查在硅片上生长氮化镓纳米线的机器。 该团队的设备可以将二氧化碳和水转化为乙烯，向制造太阳能燃料迈出了一步。 资料来源：密歇根大学电子与计算机工程系 Silvia Cardarelli

密歇根大学电子与计算机工程系教授、《自然-合成》 期刊的通讯作者米泽天（Zetian Mi）说："这种性能，或者说活性和稳定性，比通常报道的太阳能或光驱动二氧化碳还原成乙烯的性能高出五到六倍。乙烯实际上是世界上产量最高的有机化合物。 但它通常是用石油和天然气在高温高压下生产出来的，所有这些都会排放二氧化碳。"

张炳兴（左）和潘宇阳（右）在米泽天的实验室里在硅片上生长氮化镓纳米线。 该团队的人工光合作用装置可以将二氧化碳和水转化为乙烯，向制造太阳能燃料迈出了一步。 资料来源：密歇根大学电子与计算机工程系 Silvia Cardarell

团队的长期目标是将更长的碳原子链和氢原子链串在一起，生产出便于运输的液体燃料。 其中的部分挑战在于从作为碳源的二氧化碳和作为氢源的水中去除所有的氧。

该装置通过两种半导体吸收光线：一种是氮化镓纳米线林，每根仅有50纳米（几百个原子）宽；另一种是硅基底，这些纳米线生长在硅基底上。 将水和二氧化碳转化为乙烯的反应发生在纳米线上的铜簇上，每个铜簇约有30个原子。

研究生潘宇阳（左）和助理研究员张炳兴（右）在米泽天的实验室里，他们制备了一种人工光合作用装置，可以将二氧化碳和水转化为乙烯，向制造太阳能燃料迈出了一步。 图片来源：密歇根大学电气与计算机工程系 Silvia Cardarelli

高效乙烯生产及未来展望

将纳米线浸没在富含二氧化碳的水中，并将其置于相当于正午太阳光的照射下。 光能释放出电子，使氮化镓纳米线表面附近的水裂开。 这不仅产生了氢气供乙烯反应使用，还产生了氧气，氮化镓吸收这些氧气后变成了氮化镓氧化物。

铜擅长抓住氢，并抓住二氧化碳中的碳，将其转化为一氧化碳。研究小组认为，在混合氢和光能注入的情况下，两个一氧化碳分子与氢结合在一起。据信，反应在铜和氮化镓氧化物的界面处完成，两个氧原子被剥离，并被分解水中的三个氢原子取代。

研究小组发现，半导体在光照下产生的自由电子中有 61% 参与了生成乙烯的反应。 虽然另一种基于银和铜的催化剂也能达到类似的效率，大约为50%，但它需要在碳基液体中运行，而且只能运行几个小时就会退化。 相比之下，密歇根团队的设备运行了 116 个小时而没有减速，该团队的类似设备已经运行了 3000 个小时。

这部分是由于氮化镓和水分裂过程之间的协同关系： 氧气的加入改善了催化剂，实现了自我修复过程。 该装置的寿命极限将在今后的工作中进行探索。该装置生产乙烯的速率比最接近的竞争系统高出四倍多。

麻省理工大学电气与计算机工程助理研究科学家、论文第一作者张炳兴说："未来，我们还想生产其他一些多碳化合物，如三碳丙醇或液体产品。"

液体燃料可以使许多现有的交通技术实现可持续发展，这也是米泽天的终极目标。

编译自/SciTechDaily