碳循环系统：使用光能 金的双电子化学反应

 

 

      据新华社近日报道，科学家们更近一步构建碳-回收系统，其能够收集太阳能以有效地将CO转化2和水转化为液体燃料。研究人员表示，通过优化系统的许多部分，它们现在可以驱动双电子化学反应，这是单电子反应的重大进步，这种反应是能量效率低下的。

 

      这项研究在“ 自然化学 ”杂志上发表，将帮助那些希望找到将大气中过量二氧化碳转化为有用能源的方法，伊利诺伊大学化学教授Prashant Jain说，他领导了这项新研究。

 

      “科学家们经常寻找工厂，以便深入了解将阳光，二氧化碳和水转化为燃料的方法，”他说。

 

      当太阳能击中植物叶子时，它会激发叶绿素中的电子。那些激发的电子最终驱动化学反应，将二氧化碳和水转化为葡萄糖。

 

      “这些化学反应中有许多是多质子，多电子反应，”Jain说。

 

      但是，科学家们不再依赖可生物降解的植物色素将光能转化为化学能，而是转向更好的东西：富金属的金属催化剂，如金，在特定的光强度和波长下，可以将光激发的电子和质子转移到反应物而不会降解或用完了。

 

      “在我们的研究中，我们使用了尺寸为13到14纳米的球形金颗粒，”Jain说。“纳米粒子具有独特的光学特性，具体取决于它们的大小和形状。”

 

      例如，当用聚合物涂覆并悬浮在水中时，纳米颗粒吸收绿光并反射深红色。在光激发下，纳米粒子将电子转移到探针分子，然后分子改变颜色。这使得科学家们可以测量电子转移反应的发生效率。

 

      “研究人员过去曾设法使用光化学和这些光吸收材料一次转移一个电子，”Jain说。“但在新的研究中，我们已经确定了金属纳米粒子催化剂一次可以转移两个电子的原理，规则和条件。”

 

      通过改变实验中使用的激光强度，Jain和他的同事们发现，在太阳能强度的四到五倍的情况下，系统中的金纳米粒子一次可以从乙醇转移到两个电子 - 电子 - 饥饿的探头。

 

      Jain说，双电子反应远比单电子反应好。

 

      “你需要一对电子来在原子之间建立联系，”他说。“当你不提供一对电子 - 和一对质子来中和电子的损失时 - 你最终会产生自由基，这些自由基具有很强的反应性，可以反应，浪费你曾经创造的能量它们也会与其他化学物质反应或破坏催化剂。“

 

      Jain还得出结论，他的实验室最近使用相同系统进行的实验也需要多电子，多质子转移。在这些实验中，他的实验室转化的CO 2为乙烷，双碳化合物，其更多的能量富含比甲烷，其仅包含一个碳。Jain和他的同事们希望最终产生丙烷，其中含有三碳骨架，而丁烷则有四种。

 

      “从化学的角度来看，了解将碳原子串在一起的规则很有意思，”Jain说。“一次转移一个以上的电子，在纳米粒子催化剂表面一次激活一个以上的二氧化碳分子，可以让我们获得更高的碳氢化合物。”

 

      虽然新发现是向前迈出的重要一步，但在这项技术准备就绪并扩大规模以应对当前挑战之前，必须做更多的工作，Jain说。

 

      “还有很长的路要走。我想我们会至少需要十年才能找到切实可行的CO 2 -sequestration，CO 2 -fixation，是经济上可行的燃料形成的技术，”他说。“但是，对这一过程的每一次洞察都会提高研究界的发展速度。”