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  哈佛大学研究人员近日在模拟自然光照的条件下,利用廉价的过渡金属材料合成出“人工树叶”,成功实现二氧化碳的高效固定,并达到12.7 %的太阳能转化率,是自然界叶片转化效率的30倍以上。相关成果20日发表在《细胞》杂志旗下《Chem》期刊上。


  二氧化碳是当前温室效应的主要来源之一,如何有效地捕集、处理二氧化碳成为全球关注的焦点。自然界树叶的光合作用,直接利用光能把二氧化碳和水分子固定为碳水化合物,为科学家提供了一个很好的思路。开发高效低成本的(光)电催化剂来把二氧化碳转化为更高价值的化工产品和燃料分子、更好地解决全球的能源与环境问题,也是科学家们孜孜以求的目标。

  对此,哈佛大学罗兰研究所汪淏田团队与斯坦福大学崔屹团队等合作,构建了一套由廉价金属镍和钴等材料组成的人工叶片系统。以锂离子电化学调控的氧化钴催化剂将水分子氧化,释放出氧气和质子;而镍金属单原子催化剂则高效的将质子注入二氧化碳分子中,得到一氧化碳还原产物,选择性高达93.2%,后者也是重要的化工原料和燃料气体。

  文章通讯作者汪淏田20日接受科技日报采访时表示,在人工光和作用的过程中,最具有挑战性的一步就是如何对二氧化碳进行高选择性的还原。这是因为绝大部分的催化剂更愿意选择把质子直接还原成氢气分子,而不是将其注入二氧化碳分子进行还原;传统意义上的镍金属催化剂就是这样。而他们在实验中发现,当将镍金属催化剂完全分散为镍的单原子时,镍单原子的物理化学性能发生了巨大变化,对二氧化碳还原的选择性从零跃升至93.2%,可与金、银等贵重金属催化剂媲美。

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