研究人員報告說,當二氧化碳和水在光和銀納米粒子催化劑存在的情況下發生反應時,會產生少量有用的分子,如碳氫化合物。他們的驗證研究,通過使用高分辨率分析技術,可以為二氧化碳減排技術鋪平道路,從而實現可再生碳基燃料的工業規模生產。


這項由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分?;瘜W教授 Prashant Jain 領導的研究在可見光下探測了銀納米顆粒催化劑表面的化學活性,并使用碳同位素來追蹤這些以前未被發現的化學反應的起源和產生。研究結果發表在《自然通訊》雜志上。

捕光納米粒子催化劑在尋求可再生碳基燃料方面具有良好前景

在適當的條件下,以橙色大球體為代表的銀納米粒子可以吸收可見光。光激發產生的電荷載流子被轉移到 CO2 和水中,從而轉化為碳氫化合物和其他多碳分子。圖中,碳原子為黑色,氧原子為紅色,氫原子為白色。


陽光驅動的二氧化碳和水轉化為能量密集的多碳化合物是可再生能源發電和化學制造的可行技術。研究報告稱,正因如此,研究人員一直在尋找有助于將二氧化碳大規模還原為多碳分子的合成催化劑。


工業級催化化學反應通常根據最終產品的整體分布進行測試和優化,Jain 說,但是在這種反應的中間階段,在催化劑表面形成了化學物質,它們可能太稀少而無法使用傳統方法進行檢測和測量,但卻是催化劑如何發揮作用的基本標志。

捕光納米粒子催化劑在尋求可再生碳基燃料方面具有良好前景

研究生 Dinumol Devasia(左)和化學教授 Prashant Jain 領導的一項研究證實了通過二氧化碳還原反應形成了有價值的多碳分子和潛在的可再生燃料。


在實驗室中,Jain 的團隊使用專門配備的拉曼光譜儀來檢測和識別在單個銀納米粒子表面形成的單個分子。通過分離化學反應在其上進行的單個納米顆粒,研究人員可以使用高度聚焦的激光激發在催化劑表面形成的分子,以產生光譜信號,以識別在整個化學過程的離散基本步驟中形成的分子。


我喜歡從故事的角度來看待這部作品,Jain 說,故事有一個整體主題,那就是減少二氧化碳。主要角色是二氧化碳、水、銀納米粒子、一氧化碳和氫離子,例如。但也有一些更次要但非常有趣的角色,如丁醇、醋酸鹽和草酸有助于講述主角的背景故事。有時,次要角色比主要角色有趣得多。


Jain 說,有時小角色可能會出現一些意外的玩家。為確保研究人員檢測到的中間碳基分子是 CO2 還原過程而非污染的結果,他們使用了僅包含碳 13 同位素的 CO2,而碳 13 同位素僅占地球碳的 1.1%。


使用碳 13 來追蹤反應途徑使我們能夠確認所測量的任何碳氫化合物都是由于我們有意添加到反應容器中的 CO2 而存在的,而不是通過銀納米顆粒的污染或稍后在分析過程中意外引入的,Jain 說,碳 13 是罕見的,所以如果我們在我們的反應產物中檢測到它,我們就會知道它是 CO2 和 CC 鍵形成的光驅動轉化的結果。


Jain 說,在研究的這個階段,使用銀納米顆粒催化劑形成多碳分子的規模仍然很小。然而,研究人員可以專注于開發改進的合成催化劑并擴大工業生產,現在已經揭示了捕光納米粒子的前景。


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