人工光合作用利用阳光将二氧化碳循环转化为“绿色甲烷”

时间:2020-02-24 17:29 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

人工光合作用利用阳光将二氧化碳循环转化为“绿色甲烷”

一种新的人工光合作用方法利用阳光将二氧化碳转化为甲烷,这将有助于使以天然气为动力的设备实现碳中和。

甲烷是天然气的主要成分。光合作用是绿色植物利用阳光从二氧化碳和水中为自己制造食物的过程,它的副产品是释放氧气。人工光合作用的目的通常是用相同的原料生产类似天然气或汽油的碳氢化合物燃料。

这种甲烷生成方法是由密歇根大学、麦吉尔大学和麦克马斯特大学合作开发的一种新型催化剂实现的。一篇关于这一发现的论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

太阳能催化剂是由丰富的材料和工作在一个可以大规模生产的配置。研究人员认为,在5-10年内,它可以将烟囱里的二氧化碳循环转化为清洁燃料。

“美国30%的能源来自天然气,”密歇根大学电子工程与计算机科学教授米泽天说,他与麦吉尔大学材料工程教授宋军共同领导了这项工作。“如果我们能产生绿色甲烷,那将是一件大事。”

主要的进展是,该团队已经利用一种可能大规模生产的设备控制了相对较大的电流。它还特别善于引导电流形成甲烷,一半的可用电子进入产甲烷的反应,而不是进入副产品,如氢或一氧化碳。

“美国30%的能源来自天然气,如果我们能生产绿色甲烷,那将是一件大事。”本;Zetian Mi

“以前的人工光合作用设备的工作电流通常只有硅设备最大电流密度的一小部分,而现在我们使用的是工业用材料和地球上丰富的催化剂,达到了理论最大电流的80%或90%。”周宝文(音译)说,他是从事这个项目的Mi’小组的博士后研究员。

将二氧化碳转化为甲烷是一个非常困难的过程。碳必须从二氧化碳中获取,因为二氧化碳是最稳定的分子之一,需要大量的能量。同样地,H2O必须被分解才能使氢与碳相连。每个碳原子需要4个氢原子才能变成甲烷,形成一个复杂的八电子之舞(每个碳-氢键有2个电子,有4个键)。

催化剂的设计对反应的成功至关重要。

“最重要的问题是如何在巨大的材料空间中快速导航,以确定最佳配方,”歌说。

他的团队的理论和计算工作确定了关键的催化剂成分:铜和铁的纳米颗粒。铜和铁通过碳原子和氧原子抓住分子,为氢从水分子碎片跃迁到碳原子争取时间。

该设备是一种太阳能电池板,上面布满了铜和铁的纳米颗粒。它可以利用太阳能或电流来分解二氧化碳和水。

基础层是硅晶圆,与太阳能板上的硅晶圆没什么不同。该晶圆片顶部有纳米线,每根纳米线高300纳米(0.0003毫米),宽约30纳米,由半导体氮化镓制成。

这种排列创造了一个大的表面积,在上面可以发生反应。有纳米颗粒斑点的纳米线被一层薄薄的水覆盖。

该装置可以设计成仅在太阳能下运行,或者通过补充电力来补充甲烷的产生。另外,如果使用电力,该设备也可以在黑暗中工作。

在实践中,人工光合作用板需要连接到高浓度二氧化碳的来源,例如,从工业烟囱中捕获的二氧化碳。该装置还可配置为生产合成天然气(syngas)或甲酸,甲酸是动物饲料中常见的防腐剂。

这项研究得到了艾伯塔省和加拿大自然科学、工程研究委员会以及密歇根大学工程学院蓝天计划的资助。U-M拥有该催化剂的多项专利,并正在寻找合作伙伴将其推向市场。

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