新技术可以快速追踪未来无碳太阳能燃料
劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家展示了一项新技术，该技术模仿某些细菌的代谢过程，将 CO 2转化为液态乙酸，这是“液态阳光”或通过人工光合作用产生的太阳能燃料的关键成分。
这项工作发表在《自然催化》( Nature Catalysis ) 杂志上的一篇论文中，也是首次展示了一种模拟这些细菌如何从电子和 CO 2自然合成乙酸盐的装置。
几十年来，研究人员已经知道某些细菌中的代谢途径允许它们消化电子和 CO 2以产生乙酸盐，这是一种由电子驱动的反应。该途径将 CO 2分子分解为两个不同或“不对称”的化学基团：羰基 (CO) 或甲基 (CH3)。该反应途径中的酶使 CO 和 CH 3中的碳键结合或“偶联”，然后引发另一个催化反应，产生乙酸盐作为最终产物。
人工光合作用领域的研究人员一直想开发模拟该途径化学反应的装置——称为不对称碳-碳偶联——但寻找与细菌的天然酶催化剂一样有效的合成电催化剂一直具有挑战性。
铜将碳转化为各种有用产品在 20 世纪 70 年代首次被发现。根据之前的研究，研究团队推断，配备铜催化剂的人工光合作用装置应该能够将 CO 2和水转化为甲基和羰基，然后将这些产物转化为乙酸盐。
对于一个实验，研究团队设计了一个带有铜表面的模型设备；然后，他们将铜表面暴露在液体甲基碘 (CH 3 I) 和 CO 气体中，并对系统施加电偏压。
研究人员假设 CO 会粘附在铜表面，触发 CO 和 CH 3基团的不对称偶联以产生乙酸盐。在实验中使用同位素标记的 CH 3 I 以跟踪反应途径和最终产物。
加州大学伯克利分校实验室进行的化学分析实验表明，铜的羰基和甲基配对不仅产生乙酸盐，还产生其他有价值的液体，包括乙醇和丙酮。同位素追踪使研究人员能够确认乙酸盐是通过 CO 和 CH 3的结合形成的。
在另一项实验中，研究人员从铜和银纳米粒子溶液中合成了一种超薄材料，每个纳米粒子的直径仅为 7 纳米。然后，研究人员设计了另一种模型设备，这次是用纳米颗粒薄材料分层。
正如预期的那样，电偏压引发反应，促使银纳米粒子将 CO 2转化为羰基，而铜纳米粒子将 CO 2转化为甲基。后续分析表明，CO 和 CH 3之间的另一个反应（不对称偶联）合成了液体产物，例如乙酸盐。
通过电子显微镜实验，研究人员了解到铜和银纳米粒子彼此紧密接触，形成串联系统，并且铜纳米粒子充当不对称偶联的催化中心。
在未来高效人工光合作用系统的设计中，这些铜银纳米粒子有可能与吸光硅纳米线结合使用。获 取 更多硬科技 前沿访问：https://byteclicks.com
2015 年的一项研究展示了一种人工光合作用系统，该系统由半导体纳米线和细菌组成，利用阳光中的能量从二氧化碳和水中产生乙酸盐。这一发现对一个不断发展的领域具有重要意义，在该领域，研究人员花费了数十年时间寻找最佳化学反应，以从 CO 2中生产高产量的液体产品。
这项新研究通过展示一种合成电催化剂——铜-银纳米粒子——来推进这项早期工作，它清楚地模仿了细菌从 CO 2生产液体产品的行为。
来自伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员参与了这项研究。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。Molecular Foundry 是伯克利实验室的 DOE 科学办公室用户设施。
