新型光催化系统可将二氧化碳转化为有价值的燃料

新型光催化系统可将二氧化碳转化为有价值的燃料光合作用是植物和某些生物的叶绿体利用阳光、水和二氧化碳产生食物或能量的机制。过去几十年来，许多研究人员都在努力创造合成光合作用过程，目的是将二氧化碳转化为碳中性燃料。联合研究的负责人之一、城大化学系副教授叶如泉教授解释说："然而，二氧化碳很难在水中转化，因为许多光敏剂或催化剂会在水中降解。虽然人工光催化循环已被证明能以更高的内在效率运行，但其在水中还原二氧化碳的低选择性和低稳定性阻碍了它们的实际应用。"分层自组装光催化系统（左）模仿了一种名为"Rhodobactersphaeroides"的紫色细菌（右）的自然光合作用装置，在将二氧化碳转化为甲烷时实现了15%的太阳能转化为燃料的效率。资料来源：（左）叶如泉教授研究小组/香港城市大学；（右）《生物物理学报》，99:67-75，2010年在最新的研究中，来自城大、香港大学、江苏大学和中国科学院上海有机化学研究所的联合研究小组克服了这些困难，利用超分子组装方法创建了一个人工光合作用系统。它模仿了紫色细菌的光收集色素细胞（即含有色素的细胞）的结构，这种细胞能非常有效地从太阳光中传递能量。这种新型人工光合作用系统的核心是一种高度稳定的人工纳米胶束--一种能在水中自组装的聚合物，具有亲水端和惧水端。这种纳米胶束的亲水性头部可作为光敏剂吸收阳光，而疏水性尾部则可作为自组装的诱导剂。将纳米簇放入水中，由于水分子与簇尾之间的分子间氢键作用，纳米簇就会自组装。加入钴催化剂后，光催化制氢和还原二氧化碳，从而产生氢气和甲烷。香港城市大学化学系副教授叶如泉教授（前排中）及其研究团队。图片来源：香港城市大学研究小组利用先进的成像技术和超快光谱技术，揭示了创新光敏剂的原子特征。他们发现，纳米小分子亲水性头部的特殊结构，以及水分子与纳米小分子尾部之间的氢键作用，使其成为一种稳定的、与水相容的人工光敏剂，解决了人工光合作用传统的不稳定性和与水不相容的问题。光敏剂与钴催化剂之间的静电作用以及纳米簇的强光采集天线效应改善了光催化过程。在实验中，研究小组发现甲烷的生产率超过13000μmolh-1g-1，24小时的量子产率为5.6%。它还实现了15%的高效太阳能转化为燃料的效率，超过了自然光合作用。最重要的是，这种新型人工光催化系统不依赖昂贵的贵金属，具有经济可行性和可持续性。叶教授说："该系统的分层自组装提供了一种很有前景的自下而上的策略，即基于廉价、地球上丰富的元素，如锌和钴卟啉复合物，来创建一种精确控制的高性能人工光催化系统。"氢键增强纳米胶束的形成及其在太阳能下制氢和还原二氧化碳的过程。资料来源：叶如泉教授研究小组/香港城市大学叶如泉教授说，他相信这项最新发现将有利于并启发未来利用太阳能转化和还原二氧化碳的光催化系统的合理设计，为实现碳中和的目标作出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375391.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375391.htm

全新的太阳能反应器可将二氧化碳和塑料废料转化为有用的产品

全新的太阳能反应器可将二氧化碳和塑料废料转化为有用的产品大气层中的二氧化碳处于几千年来的最高水平，导致了破坏性的气候后果。同时，我们对塑料的依赖正在导致河流、海洋和从一极到另一极的所有地方都有这种东西的大量堆积。在这两个领域的研究已经促使科学家们设计出反应器，将捕获的二氧化碳或塑料废物转化为油、燃料和其他有用的化学品和材料。但是现在，剑桥大学的科学家们已经设计出第一个可以同时处理两种污染物的反应器。该装置由两个独立的隔间组成--一个用于处理塑料，一个用于处理二氧化碳--以及每个隔间中的一个单元，该单元吸收光的能量并利用它来触发一个催化剂，将原料转化为更有用的东西。光吸收器是过氧化物，它正在成为一种有前途的太阳能电池材料，而催化剂可以根据所需的最终产品来改变。该研究的共同第一作者MotiarRahaman博士说："一般来说，二氧化碳的转化需要大量的能量，但在我们的系统中，基本上你只需向它照射一束光，它就会开始将有害的产品转化为有用和可持续的东西。在这个系统之前，我们没有任何东西可以有选择地和有效地制造高价值的产品"。在测试中，研究小组证明了该反应器可以在正常温度和压力条件下有效地工作，只使用阳光作为能源。一种铜钯合金催化剂能够将PET塑料瓶转化为乙醇酸，这是一种用于化妆品行业的化学品。使用一种钴化合物将二氧化碳转化为一氧化碳，使用一种铜铟合金将合成气转化为一氧化碳，使用一种特定的酶将甲酸盐转化为一氧化碳。更妙的是，该反应器的工作非常高效。该团队说，其生产效率比使用其他太阳能催化剂的设备高100倍。接下来的步骤是在未来五年内进一步开发该反应器，以生产更复杂的分子。这项研究的共同第一作者SubhajitBhattacharjee说："这个系统的特别之处在于它的多功能性和可调控性--我们现在正在制造相当简单的碳基分子，但在将来，我们可以通过改变催化剂来调控这个系统以制造更复杂的产品。"这项研究发表在《自然合成》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338505.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338505.htm

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3%

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷转化率高达99.3%DGIST的一个研究小组开发出一种先进的光催化剂，它能有效地将二氧化碳转化为甲烷，有可能为应对全球变暖提供一种可持续的解决方案。来自DGIST能源科学与工程系的InSoo-il教授及其团队成功开发出一种高效光催化剂。这项创新能够将导致气候变化的重要因素二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4），也就是通常所说的天然气。全球变暖导致世界各地气候异常，威胁着人类的生存。减少温室气体是解决日益令人担忧的全球变暖问题的关键，这需要将大气中的二氧化碳转化为其他物质。光催化技术是一种环保解决方案，它只需利用太阳能和水就能将二氧化碳转化为有用的物质，如天然气。生产出的天然气可在日常生活中用作供暖、制冷系统和车辆的燃料。光催化材料的改进研究小组将吸收可见光和红外线的硒化镉与二氧化钛（一种金属氧化物和著名的光催化材料）结合起来，高效地将二氧化碳转化为天然气。以前，人们曾将具有周期性晶格结构的结晶二氧化钛作为光催化材料进行分析。然而，由于颗粒的规则排列，钛的三价阳离子（Ti3+）的活性位点的形成受到了限制。为了克服这个问题，In教授的团队使用无定形二氧化钛改进了催化反应，因为无定形二氧化钛可以通过缺乏晶格结构周期性的不规则颗粒排列形成更多的Ti3+活性位点。除了催化作用得到改善外，电荷转移过程也很稳定，可确保有足够的电子参与反应。这有助于将二氧化碳转化为碳化合物，特别是甲烷燃料。此外，与需要高温再生的传统光催化剂不同，无定形催化剂在不加热的情况下向反应器供氧，可在一分钟内再生。高效率和未来研究方向研究小组新开发的无定形二氧化钛-硒化镉光催化剂（TiO2-CdSe）在光反应18小时后的前6小时内甲烷转化率仍高达99.3%，是具有相同成分的晶体光催化剂（C-TiO2-CdSe）的4.22倍。"这项研究的重要意义在于，我们开发出了一种具有再生活性位点的催化剂，并通过计算化学研究确定了利用非晶态催化剂将二氧化碳转化为甲烷的机理，"DGISTIn教授说。"我们将开展后续研究，以改善无定形光催化剂的能量损失，并提高其长期稳定性，从而实现该技术的未来商业化。"编译来源：ScitechDailyDOI:10.1016/j.apcatb.2024.124006...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434187.htm

剑桥科学家发明太阳能反应堆 可将塑料垃圾和二氧化碳转化为有用化学品

剑桥科学家发明太阳能反应堆可将塑料垃圾和二氧化碳转化为有用化学品就在六个月前，剑桥团队公布了他们的太阳能反应堆的一个版本。它由两个腔室组成，一个处理二氧化碳，另一个处理塑料垃圾，整个装置由钙钛矿太阳能电池供电。然而，该版本仅适用于来自钢瓶的浓缩二氧化碳，这可用作概念证明，但不一定适用于现实世界的设置。因此，对于新版本，该团队对其进行了调整，以处理烟气中的二氧化碳，甚至是环境空气中的二氧化碳。首先，空气被泵送通过碱性溶液，该溶液仅捕获二氧化碳，同时允许氧气和氮气等其他气体以气泡形式逸出。然后可以在另一个腔室的帮助下处理提纯的二氧化碳。“塑料成分是这个系统的一个重要技巧，”该研究的共同第一作者MotiarRahaman博士说。“从空气中捕获和使用二氧化碳会使化学反应变得更加困难。但是，如果我们将塑料废物添加到系统中，塑料就会向CO2提供电子。塑料分解为广泛用于化妆品行业的乙醇酸，二氧化碳转化为合成气，这是一种简单的燃料。”该团队表示，这项技术可以大大有助于解决这两种主要的环境危害，并最终有助于为实现无化石燃料的未来铺平道路。“我们不仅对脱碳感兴趣，而且对去化石化感兴趣——我们需要完全消除化石燃料，以创造真正的循环经济，”该研究的第一作者ErwinReisner教授说。“从中期来看，这项技术可以通过从工业中捕获碳并将其转化为有用的东西来帮助减少碳排放，但最终，我们需要将化石燃料完全排除在外，并从空气中捕获二氧化碳。”该研究发表在《焦耳》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366585.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366585.htm

太阳光制甲醇：利用铜和氮化碳实现革命性的二氧化碳转化

太阳光制甲醇：利用铜和氮化碳实现革命性的二氧化碳转化研究人员开发出一种利用铜和纳米氮化碳晶将二氧化碳高效转化为甲醇的阳光动力工艺，标志着向可持续燃料生产和减少二氧化碳迈出了重要一步。上图为测试催化剂将二氧化碳转化为甲醇的反应器。资料来源：诺丁汉大学效率和选择性的挑战在光催化过程中，光线照射到半导体材料上会激发电子，使电子穿过材料与二氧化碳和水发生反应，从而产生各种有用的产品，包括作为绿色燃料的甲醇。尽管最近取得了一些进展，但这一过程仍存在效率和选择性不足的问题。二氧化碳是导致全球变暖的最大因素。虽然可以将二氧化碳转化为有用的产品，但传统的热法依赖于化石燃料中的氢气。利用可持续的太阳能和无处不在的丰富水资源，开发基于光催化和电催化的替代方法非常重要。改进催化的纳米级控制诺丁汉大学化学学院研究员马达萨米-坦加穆图（MadasamyThangamuthu）博士是研究小组的共同负责人："光催化使用的材料种类繁多。光催化剂吸收光并高效分离电荷载流子非常重要。在我们的方法中，我们在纳米尺度上控制材料。我们开发了一种新形式的氮化碳，它具有结晶纳米级畴，能够与光进行高效互动，并实现充分的电荷分离。光将二氧化碳转化为甲醇（燃料）的过程。资料来源：诺丁汉大学研究人员设计了一种将氮化碳加热到所需结晶度的工艺，最大限度地提高了这种材料在光催化方面的功能特性。利用磁控溅射技术，他们在无溶剂过程中沉积了原子铜，使半导体和金属原子得以亲密接触。令人惊喜的效率提升在诺丁汉大学化学学院开展实验工作的博士生塔拉-勒梅尔（TaraLeMercier）说："我们测量了光产生的电流，并以此作为判断催化剂质量的标准。即使不加铜，新型氮化碳的活性也比传统氮化碳高44倍。然而，出乎我们意料的是，每1克氮化碳中只需添加1毫克铜，效率就提高了四倍。最重要的是，选择性从甲烷（另一种温室气体）变成了甲醇（一种宝贵的绿色燃料）"。诺丁汉大学化学学院的AndreiKhlobystov教授说："二氧化碳价值化是英国实现净零排放目标的关键。确保我们用于这一重要反应的催化剂材料的可持续性至关重要。这种新型催化剂的一大优势在于它由可持续元素组成--碳、氮和铜--这些元素在我们的星球上都非常丰富。"本发明是深入了解二氧化碳转化过程中光催化材料的重要一步。它开辟了一条创造高选择性和可调整催化剂的途径，通过在纳米尺度上控制催化剂，可以调高所需的产物。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425280.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425280.htm

环保新突破：单原子催化剂将二氧化碳转化为乙醇

环保新突破：单原子催化剂将二氧化碳转化为乙醇串联单原子电催化剂实现二氧化碳还原成乙醇。资料来源：DICP二氧化碳还原的挑战Cn（n≥2）液体产品因其高能量密度和易于储存而备受青睐。然而，由于对机理的理解有限，C-C偶联途径的操作仍是一项挑战。最近，由张涛教授和黄延强教授领导的研究小组在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校进行了一项突破性研究。中国科学院大连化学物理研究所的张涛和黄延强教授领导的研究小组开发了一种锡基串联电催化剂（SnS2@Sn1-O3G），在-0.9VRHE和17.8mA/cm2的几何电流密度条件下，该催化剂可重复生成乙醇，法拉第效率高达82.5%。这项研究最近发表在科学杂志《自然-能源》上。研究人员通过在三维碳泡沫上进行SnBr2和硫脲的溶热反应，制造出SnS2@Sn1-O3G。这种电催化剂由SnS2纳米片和原子分散的Sn原子（Sn1-O3G）组成。机理研究表明，这种Sn1-O3G可分别吸附*CHO和*CO(OH)中间体，从而通过一种前所未有的甲酰基-碳酸氢盐偶联途径促进C-C键的形成。此外，通过使用同位素标记的反应物，研究人员追踪了在Sn1-O3G催化剂上形成的最终C2产物中C原子的形成路径。分析表明，产物中的甲基C来自甲酸，而亚甲基C来自二氧化碳。黄教授说："我们的研究为乙醇合成中C-C键的形成提供了一个替代平台，并为操纵二氧化碳还原途径以获得所需的产品提供了一种策略。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398721.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398721.htm