研究人員透過照射沉積在光活化材料上的單個銅原子，成功地將二氧化碳轉化為甲醇，這項發現為創造新型綠色燃料鋪平了道路。由諾丁漢大學化學學院、伯明翰大學、昆士蘭大學和烏爾姆大學的研究人員組成的國際團隊設計出了一種材料，它由錨定在奈米氮化碳晶體上的銅構成。銅原子嵌套在奈米晶體結構中，使電子能夠從氮化碳移動到二氧化碳，這是在太陽照射下從二氧化碳生產甲醇的重要步驟。這項研究成果發表在英國皇家化學會的《永續能源與燃料》雜誌。

研究人員開發出一種利用銅和奈米氮化碳晶將二氧化碳高效轉化為甲醇的陽光動力工藝，標誌著向永續燃料生產和減少二氧化碳邁出了重要一步。上圖為測試催化劑將二氧化碳轉化為甲醇的反應器。資料來源：諾丁漢大學

效率和選擇性的挑戰

在光催化過程中，光線照射到半導體材料會激發電子，使電子穿過材料與二氧化碳和水反應，產生各種有用的產品，包括作為綠色燃料的甲醇。儘管最近取得了一些進展，但這一過程仍存在效率和選擇性不足的問題。

二氧化碳是導致全球暖化的最大因素。雖然可以將二氧化碳轉化為有用的產品，但傳統的熱法依賴化石燃料中的氫氣。利用永續的太陽能和無所不在的豐富水資源，開發基於光催化和電催化的替代方法非常重要。

改進催化的奈米級控制

諾丁漢大學化學學院研究員馬達薩米-坦加穆圖（Madasamy Thangamuthu）博士是研究小組的共同負責人：”光催化使用的材料種類繁多。光催化劑吸收光並高效分離電荷載流子非常重要。在在我們的方法中，我們在奈米尺度上控製材料。我們開發了一種新形式的氮化碳，它具有結晶奈米級疇，能夠與光進行高效互動，並實現充分的電荷分離。

光將二氧化碳轉化為甲醇（燃料）的過程。資料來源：諾丁漢大學

研究人員設計了一種將氮化碳加熱到所需結晶度的工藝，最大限度地提高了這種材料在光催化方面的功能特性。利用磁控濺射技術，他們在無溶劑過程中沉積了原子銅，使半導體和金屬原子得以親密接觸。

令人驚喜的效率提升

在諾丁漢大學化學學院進行實驗工作的博士生塔拉-勒梅爾（Tara LeMercier）說：”我們測量了光產生的電流，並以此作為判斷催化劑品質的標準。即使不加銅，新型氮化碳的活性也比傳統氮化碳高44 倍。然而，出乎我們意料的是，每1 克氮化碳中只需添加1 毫克銅，效率就提高了四倍。最重要的是，選擇性從甲烷（另一種溫室氣體）變成了甲醇（一種寶貴的綠色燃料）」。

諾丁漢大學化學學院的Andrei Khlobystov 教授說：「二氧化碳價值化是英國實現淨零排放目標的關鍵。確保我們用於這一重要反應的催化劑材料的可持續性至關重要。這種新型催化劑的一大優點在於它由永續元素組成–碳、氮和銅–這些元素在我們的星球上都非常豐富。”

本發明是深入了解二氧化碳轉化過程中光催化材料的重要一步。它開闢了一條創造高選擇性和可調整催化劑的途徑，透過在奈米尺度上控制催化劑，可以調高所需的產物。

編譯自: ScitechDaily