人工模擬光合作用，變廢為寶

材料牛注：模擬光合作用儲存太陽能的技術早在上世紀70年代初就進入了科學家的視線。幾十年來，研究人員一直在嘗試復制綠色植物分解水的方式。利用化學方式，科學家早已能夠完成水的分解反應，但這些化學反應條件非常苛刻，溫度很高，溶液具有腐蝕性很強的堿性，而且催化劑需要用到鉑等稀有而昂貴的化合物。與常見的模擬光合作用不太一樣，本文中不是利用貴金屬催化劑來催化水分解產生氫，而是利用金屬銠催化，將溫室氣體CO2轉化為重要燃料甲烷。

研究人員設計了銠納米顆粒（藍色），它可以利用紫外線中的能量，并用它來催化二氧化碳轉化為甲烷，而甲烷是各種燃料的關鍵組成部分。

使用輕質而微小的稀有金屬銠的納米顆粒，杜克大學的研究人員已經找到了一種方法能幫助將二氧化碳轉化為一種許多燃料的基本組成部分。 新發現的化學反應可以利用自然陽光以減小大氣中的CO2的增長水平，同時促進了替代能量的發展，而且不產生不想要的副產物，例如有毒的一氧化碳。紫外光催化反應利用與鉑類似的銀白色元素銠的納米顆粒作為催化劑。 使用光而非熱不僅更高效，而且更重要的是它更有利于形成目標產物甲烷。這對于太空旅行者來說是一個很好的消息，因為甲烷是SpaceX為前往火星備選的燃料之一。

“我們發現，當我們把光照在銠納米結構上時，我們可以迫使化學反應偏向于一個方向進行。”杜克大學物理系兼職教授，阿拉巴馬陸軍航空與導彈RD＆E中心的高級研究科學家亨利·埃維特（Henry Everitt）說 ：“所以我們選擇一種用光而不能用熱量的方式進行反應。”將由合成的銠納米管組成的粉末材料置于反應室中，然后使二氧化碳和氫氣的混合物通過該材料。 當用高功率紫外LED照射納米顆粒時，與通常用生成甲烷的反應相比，該反應在室溫下發生，并且幾乎僅產生甲烷，而通常情況需要在300℃（576°F）的加熱條件，并且產生甲烷和有毒一氧化碳的等當量的混合物。

科學家指出這種能夠控制反應的輸出的能力即為其選擇性。“如果反應只有50％的選擇性，那么成本將是如果選擇性接近100％時的成本的兩倍”， Jie Liu教授在杜克大學的實驗室的研究生Xiao Zhang說。 “如果選擇性非常高，你也可以通過不必提純產品從而節省了時間和能源。

這一進展來源于等離子體激元場，同時包括使用光來為納米級微小的金屬添加能量。 我們已經看到，在眾多應用中，這種方法產生了新的太陽能電池和數據存儲的成果。銠是用于實驗的候選物，因為盡管稀少，它已經用作催化劑來催化加速包括肥料、洗滌劑和藥物的生產的工業過程， 它也不乏用在汽車排氣系統中的催化轉化器。

“等離子體激元金屬納米顆粒像一些天線，非常有效地吸收可見光或紫外光，可以做許多事情，如產生強電場，”埃里特說。 “在過去的幾年里，人們已經認識到這種性質可能被應用到催化中。”接下來，研究人員將看到光是否可以驅動其中使用加熱過的銠作為催化劑的其它反應。 他們還希望調整這項研究的結果，使其專門與陽光作用，希望太陽能反應可以成為可再生能源系統的一部分。

原文鏈接：Nanoparticles of rare metal and light convert carbon dioxide into fuel.

文獻鏈接：Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation.