人造“叶片”模拟光合作用高效制甲醇

这张新型人造“叶片”的三维艺术图，凸显了该设备的光电极。图片来源：物理学家组织网

科技日报记者 刘霞

美国耶鲁大学科学家领衔的团队研制出一款新型人造“叶片”，能以创纪录效率模拟光合作用，将阳光、水和二氧化碳直接合成液体燃料甲醇。甲醇产率是此前制醇的人造“叶片”的32倍。相关论文发表于新一期《美国化学学会杂志》。

新系统凝聚了团队数十年的研究精髓：独特的催化剂与创新的光电极。二者共同构建出一套更强、更精简的转化路径，并可拓展至更广阔的应用场景。

团队此前已开发出这款催化剂，其利用电能将二氧化碳和水转化为甲醇，催化活性中心是酞菁钴（或其衍生物）的单分子结构。他们将该分子结构锚定在碳纳米管表面。碳纳米管强度极高，导电导热性能优异，可源源不断地将电子高速输送到催化位点，从而把二氧化碳还原为甲醇。这是一个六电子还原过程，即向一个二氧化碳分子中注入六个电子。而在此发现之前，电子传递受限，止步于双电子还原，分子催化剂只能将二氧化碳转化为一氧化碳等产物。

光电极则由一系列覆盖着富勒烯碳的硅微柱阵列构成。这一结构设计独具匠心，兼具理想的电荷产生与分离几何结构、量身定制的电子转移界面以及更大的催化剂锚定表面积。

此次，团队将该光电极、催化剂与多结钙钛矿光伏微型模块集成为独立的太阳能燃料系统，实现了有史以来基于硅的二氧化碳到甲醇光电催化转化的最高效率。其光转化甲醇效率为0.8%，是此前人造“叶片”光转醇纪录的32倍。

这片新型“叶片”可从空气中捕获气候变化的“元凶”二氧化碳，产出日益受到青睐的化学原料和替代液体燃料甲醇，开辟了一条可行的太阳能转化与储存新路径。团队计划继续优化这款新“叶片”的结构，以进一步提升转化效率。