清洁燃料的诞生: 无线、阳光、二氧化碳与水

新开发的一种无线设备,对二氧化碳的利用提供了一种新策略,并有望成为一种可放大且可持续的工业化技术。它能让我们更接近可持续的未来吗?

随着人们对能源的需求越来越大,发展可再生能源越来越迫在眉睫。太阳能是一种可再生能源,其应用也越来越广泛。但是,迫于当前科技的局限性,太阳能在很多领域仍然无法取代石油这种传统能源。

清洁燃料的诞生: 无线、阳光、二氧化碳与水
图源: Pixabay

在自然界中,应用光能的典范便是光合作用。大多数植物、藻类以及某些细菌,通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量,不仅能够维持自身的需求,也为食物链的特定消费者提供了能量来源,还在不同程度上维持了地球上的氧气与二氧化碳的平衡。

自然界不仅有丰富的资源,还蕴藏着丰富的知识,以及拥有着能够激发人们无尽灵感与想象力的空间。人工光合作用,是近年来越来越被看好的一项技术,它主要的研究目的是模仿自然界的光合作用,来实现对太阳能的转化、存储以及应用。

清洁燃料的诞生: 无线、阳光、二氧化碳与水
显微镜下的叶绿体。图源: 维基百科

发表于今年五月份报道的一项新研究,科学家们成功地构建了“人工叶绿体”(叶绿体是高等植物和一些藻类进行光合作用的主要场所),它不仅可以提供细胞大小的光合活性区室,还能够捕获并转化温室气体——二氧化碳。详情请参见《人工叶绿体,能量的发动机》。

最近,来自剑桥大学(Erwin Reisner教授课题组),东京大学以及信州大学(Kazunari Domen教授)的一组科学家团队,发明了一种无线设备,能够利用太阳光,将二氧化碳和水转化为甲酸和氧气。

清洁燃料的诞生: 无线、阳光、二氧化碳与水
可利用阳光、二氧化碳和水制造清洁燃料的无线设备。图源: 剑桥大学

人工光合作用最为关键的一步是将水分子裂解(氧化)为氧气、氢离子、电子。在这项最新的报道中,转化太阳能的无线设备,其核心部件为一块负载了光催化体系的薄片,其主要的活性成分为半导体粉末。在这种半导体粉末中,经氧化钌(RuO2)修饰的钼掺杂的BiVO4部分对水有着较强的氧化能力;另一部分中,经镧、铑掺杂的SrTiO3则扮演着“吸光剂”的角色。

此项新技术所提供的光能-甲酸的转化效率为0.08 ± 0.01%,产物甲酸的选择性则高达97 ± 3%。装置采用无线方式工作,并以水作为电子供体,因此对二氧化碳的利用技术提供了一种多样化的新策略,并有望成为一种可放大且可持续的工业化技术。

参考文献:

  1. Qian Wang et al, “Molecularly engineered photocatalyst sheet for scalable solar formate production from carbon dioxide and water”, Nat. Energy, 24 August 2020.
  2. Sarah Collins, “Wireless device makes clean fuel from sunlight, CO2 and water”, University of Cambridge, 24 August 2020.

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