人工光合作用取得突破利用二氧化碳高效生产乙烯

密歇根大学的科学家在人工光合作用技术方面取得了重大进展。他们的新系统将碳原子连接在一起，以前所未有的效率和稳定性从二氧化碳中生产乙烯。这一进步可能为更可持续地生产塑料和液体燃料铺平道路。

碳捕获和利用的新方法

由电气与计算机工程教授ZetianMi领导的研究团队发明了一种模拟自然光合作用的装置，可将二氧化碳转化为有用的碳氢化合物。他们的系统专注于生产乙烯，乙烯是许多塑料的关键成分，也是全球产量最大的有机化合物之一。

米教授表示：“其性能，或者说活性和稳定性，比通常报道的太阳能或光驱动二氧化碳还原为乙烯的效率高出五到六倍。”这一改进标志着人工光合作用领域向前迈出了实质性的一步。

系统如何运作

该设备的核心是由生长在硅基上的氮化镓纳米线组成的森林。这些纳米线每根只有50纳米宽，上面点缀着大约30个原子的铜簇。当浸入富含二氧化碳的水中并暴露在阳光下时，该系统会引发复杂的化学反应。

光能释放出电子，电子会分裂纳米线表面附近的水分子，产生氢。然后铜簇会促进二氧化碳中的碳与氢结合，最终形成乙烯。值得注意的是，产生的自由电子中有61%会参与这一乙烯生成反应。

前所未有的效率和寿命

该系统的与众不同之处不仅在于其效率，还在于其使用寿命。虽然竞争对手的银铜催化剂实现了类似的效率，但只能运行几个小时。相比之下，密歇根团队的设备运行了116小时而没有减速，类似设备的运行时间长达3,000小时。

该系统的耐用性部分归功于氮化镓和水分解过程之间的协同关系。反应过程中产生的氧气可改善催化剂并实现自修复过程，从而延长设备的使用寿命。

启示与未来方向

这一突破对可持续制造和能源生产具有重要意义。乙烯通常是在高温高压下由石油和天然气生产的，现在可以利用捕获的二氧化碳来生产，从而有可能减少工业碳排放。

这项研究的第一作者张炳兴展望未来：“未来，我们希望生产一些其他多碳化合物，如含有三个碳的丙醇或液体产品。”最终目标是制造液体燃料，通过使现有技术更具可持续性，从而彻底改变交通运输。

挑战与问题

虽然结果令人鼓舞，但仍有几个问题。该团队计划在未来的工作中探索该设备寿命的极限。此外，扩大该技术的工业用途并确保其经济可行性将是下一步的关键。

有些人可能想知道这个过程所需的能量输入，以及它是否真的会导致二氧化碳净减少。研究人员强调，该系统使用阳光作为主要能源，有可能使其成为当前乙烯生产方法的可持续替代方案。

随着我们继续努力应对气候变化并寻求化石燃料的可持续替代品，这种人工光合作用系统等创新为我们带来了希望。通过将温室气体转化为有价值的产品，我们不仅可以减少排放，还可以创造一种循环经济，让废物成为资源。