人工光合作用利用阳光将二氧化碳再循环为“绿色甲烷”

电子显微镜图像显示了半导体纳米线。这些将电子传递到金属纳米粒子，金属纳米粒子将二氧化碳和水转化为甲烷。

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驱动的设备实现碳中和。

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，释放副产物氧气的过程。人工光合作用通常旨在从相同的原材料生产类似于天然气或汽油的碳氢化合物燃料。

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。

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

密歇根大学电气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：“美国30％的能源来自天然气。”“如果我们能够产生绿色甲烷，那将是一个很大的问题。”

最主要的进步是该团队利用了一种可能会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。

“美国30％的能源来自天然气，如果我们能够产生绿色甲烷，那将是一个很大的问题。”—米泽天

“以前的人工光合作用设备通常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。”

他的小组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，从而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。纳米颗粒斑点的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。

实际上，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。该设备还可用于生产合成天然气（syngas）或甲酸，这是动物饲料中的常见防腐剂。

该研究由阿尔伯塔省减排和自然科学，加拿大工程研究委员会以及U-M工程学院的蓝天计划资助。U-M在此催化剂上拥有多项专利，并正在寻求合作伙伴将其推向市场。