2020-01-13 20:52:01
人工光合作用产生的绿色甲烷可以回收二氧化碳

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一种新的人工光合作用方法是利用阳光将二氧化碳转化为甲烷,这可以帮助使天然气动力装置实现碳中和。

甲烷是天然气的主要成分。光合作用是绿色植物利用阳光利用二氧化碳和水为自己制造食物,释放副产物氧的过程。人工光合作用通常旨在从相同的原料生产类似于天然气或汽油的碳氢燃料。

密歇根大学,麦吉尔大学和麦克马斯特大学合作开发的新型催化剂使甲烷的产生方法成为可能。关于这一发现的论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

太阳能催化剂由丰富的材料制成,并且可以大规模生产。研究人员认为,这可能会在5到10年内将烟囱中的二氧化碳再循环为清洁燃烧的燃料。

U-M电机工程和计算机科学教授Zetian Mi与麦吉尔大学材料工程教授Jun Song共同领导了这项工作,他说:“美国30%的能源来自天然气。 “如果我们能产生绿色甲烷,那将是很大的事情。”

主要的进步是,该团队利用了应该可以大量生产的设备来利用相对较大的电流。它还特别擅长将电引导至形成甲烷,一半可用电子流向甲烷生成反应,而不是氢或一氧化碳等副产物。

“以前的人工光合作用设备通常仅以硅设备的最大电流密度的一小部分进行操作,而在这里,我们使用行业就绪的材料和富含地球的催化剂以理论最大值的80%或90%进行操作,” Mi研究小组的博士后研究员。

将二氧化碳转化为甲烷是一个非常困难的过程。碳必须从二氧化碳中收集,因为二氧化碳是最稳定的分子之一,所以二氧化碳需要大量能量。同样,必须分解H2O才能将氢连接到碳上。每个碳都需要四个氢原子才能转化为甲烷,从而形成复杂的八电子舞曲(每个碳氢键中都有两个电子,并且有四个键)。

催化剂的设计对于反应的成功至关重要。

宋说:“这一百万美元的问题是如何快速浏览巨大的材料空间,以确定最佳配方。”

他的团队的理论和计算工作确定了关键的催化剂成分:铜和铁的纳米颗粒。铜和铁通过它们的碳和氧原子固定在分子上,为氢腾出时间来使水分子碎片跃迁到碳原子上。

该设备是一种散布有铜和铁的纳米粒子的太阳能电池板。它可以利用太阳的能量或电流分解二氧化碳和水。

基本层是硅晶片,与太阳能电池板中已有的硅晶片不同。该晶片的顶部是纳米线,由半导体氮化镓制成,每个纳米线高300纳米(0.0003毫米),宽约30纳米。

该布置产生了可以在其上发生反应的大表面积。纳米颗粒斑点纳米线被水薄膜覆盖。

该设备可以设计成仅在太阳能下运行,或者可以通过补充电力来提高甲烷的产量。或者,依靠电力运行,该设备可能会在黑暗中运行。

在实践中,人造光合作用面板需要连接到浓二氧化碳源,例如从工业烟囱中捕获的二氧化碳。该装置还可以构造成产生合成天然气(syngas)或甲酸,这是动物饲料中的常见防腐剂。

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