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新型催化剂实现人工光合作用

二氧化碳转变为塑料?新型催化剂实现人工光合作用

文章来源: 中国粉体网       发布时间:2018-08-10

一则“北极圈罕见32℃高温,有生之年,北极熊或将消失”的消息,将全球气候变暖的表现以及可能引发的后果直观地摆在了人们面前。

尽管有极地气候研究人员在接受《南方周末》采访时澄清,32℃高温只是很小范围的局地极端天气,6月以来,整个北极圈内的平均温度与历史记录相差不大。但与往年相比,今年夏季确实出现了更多高温天气。

“我们难以证明异常气候的出现与气候变暖直接相关,但气候变暖确实提高了异常气候发生的概率。”联合国全球契约组织创始人Georg Kell曾表示。

为了延缓全球变暖,科学家们正在研究如何减少大气中已有的二氧化碳含量,这其中包括了“人工光合作用”。

植物可以利用太阳能将二氧化碳和水转化成碳水化合物。人工光合作用仿效自然界的光合作用,利用纳米大小的光感应材料,将光能转换成电能,由此产生氧化还原酶反应,将空气中的水和二氧化碳转化为相应的化学物质。


据美国物理学家组织网报道,今年年初,加拿大多伦多大学、美国加州大学伯克利分校已联合研发出一种新型催化剂,可将二氧化碳转化为乙烯。研究人员表示,借助这种催化剂,二氧化碳发生还原反应时,可将乙烯产量实现最大化,同时反应中甲烷和一氧化碳的产生量将有所减少。

乙烯是合成塑料(聚乙烯及聚氯乙烯)等产品的基本化工原料。据中石化经济技术研究院预计,就中国而言,2018年塑料消费量就将接近1600万吨。乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,乙烯产品占石化产品的75%以上。

纳米显微镜下的催化剂表面。

多伦多大学材料科学工程博士Phil De Luna表示,上述研究项目在进行碳储存的同时,还可减少人们对于石油和天然气的需求,甚至可以解决塑料污染问题。“或许可以通过燃烧塑料、捕捉二氧化碳,并以此为原料再次制作塑料的方式,来进行有效的塑料回收再利用。”他说。

除了乙烯,人工光合作用也可以用于制成氢气和甲醇,这是目前重要的清洁燃料。

比尔·盖茨对人工光合作用制氢表示出了极大的兴趣,他曾在接受路透社采访时表示,“如果可行的话,这将是一件神奇的事,因为液态氢不像电池那样存在间歇性故障,你可以把液体氢装在燃料罐里,随时根据需要燃烧。”

人工光合作用还可以与固氮作用相结合,前者产生的氢气可以帮助固氮微生物,将空气中的氮还原成可被植物吸收利用的氨。

如何提高转化率是当前研究人员面临的主要挑战。学界对植物在自然状态下进行光合作用的效率也没有一个准确值,普遍观点为不超过1%。

日本东芝公司曾在2014年宣布,其研发的人工光合作用技术的转化率达到1.5%。但它表示,若要将该技术投入生产,转换率至少要提高至10%。

2016年,美国加州大学伯克利分校的杨培东教授宣布,团队构建出一套由纳米线和细菌组成的独特系统,可以将人工光合作用转化率提高到10%。他表示,尽管该系统的成本和转化率都已取得突破,但稳定性仍有待提升。哈佛大学的研究团队也在同年宣布,借助全新的钴磷合金催化剂,他们研发的新一代仿生叶子的转化率同样突破10%。

人造叶片。


目前,包括瑞士Clieworks在内的多家企业正在或已建成大型二氧化碳工厂,尝试以商业化的方式从大气中提取并贮存碳。


但二氧化碳转化技术仍处于初期阶段。“二氧化碳的电化学转化最接近商业化,”De Luna及其研究团队在论文中提到,他们预计,“重大技术突破或许将在未来几十年内产生。”

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