將碳原子鏈在一起的能力是重新利用二氧化碳製造永續燃料的關鍵一步。 現在，密西根大學的研究人員開發了一種人工光合作用系統，能以前所未有的性能將兩個碳原子結合成碳氫化合物。

米澤天實驗室的實驗裝置，他的團隊在這裡製備了一種人工光合作用裝置，將二氧化碳和水轉化為乙烯，為製造太陽能燃料邁出了一步。 潘宇陽用燈光照射裝置。 資料來源：密西根大學電機與電腦工程系Silvia Cardarelli

這種突破性的系統生產乙烯的效率、產量和壽命都遠高於其他人工光合作用系統。 由於乙烯是一種通常用於塑膠的碳氫化合物，因此該系統的直接應用將是收集二氧化碳，否則這些二氧化碳將排放到大氣中用於製造塑膠。

在米澤天的實驗室裡，電子與電腦工程系博士生、《自然-合成》雜誌研究報告的共同作者潘宇陽正在檢查在矽片上生長氮化鎵奈米線的機器。 團隊的設備可以將二氧化碳和水轉化為乙烯，為製造太陽能燃料邁出了一步。 資料來源：密西根大學電子與電腦工程系Silvia Cardarelli

密西根大學電子與電腦工程系教授、《自然-合成》 期刊的通訊作者米澤天（Zetian Mi）說：”這種性能，或者說活性和穩定性，比通常報導的太陽能或光驅動二氧化碳還原成乙烯的性能高出五到六倍。

張炳興（左）和潘宇陽（右）在米澤天的實驗室裡在矽片上生長氮化鎵奈米線。 團隊的人工光合作用裝置可以將二氧化碳和水轉化為乙烯，為製造太陽能燃料邁出了一步。 資料來源：密西根大學電子與電腦工程系Silvia Cardarell

團隊的長期目標是將更長的碳原子鏈和氫原子鏈串在一起，以生產出便於運輸的液體燃料。 其中的部分挑戰在於從作為碳源的二氧化碳和作為氫源的水中去除所有的氧氣。

該裝置透過兩種半導體吸收光線：一種是氮化鎵奈米線林，每根僅有50奈米（幾百個原子）寬；另一種是矽基底，這些奈米線生長在矽基底上。 將水和二氧化碳轉化為乙烯的反應發生在奈米線上的銅簇上，每個銅簇約有30個原子。

研究生潘宇陽（左）和助理研究員張炳興（右）在米澤天的實驗室裡，他們製備了一種人工光合作用裝置，可以將二氧化碳和水轉化為乙烯，向製造太陽能燃料邁出了一步。 圖片來源：密西根大學電機與電腦工程系Silvia Cardarelli

高效能乙烯生產及未來展望

將奈米線浸沒在富含二氧化碳的水中，並將其置於相當於正午太陽光的照射下。 光能釋放出電子，使氮化鎵奈米線表面附近的水裂開。 這不僅產生了氫氣供乙烯反應使用，還產生了氧氣，氮化鎵吸收這些氧氣後變成了氮化鎵氧化物。

銅擅長抓住氫，並抓住二氧化碳中的碳，將其轉化為一氧化碳。研究團隊認為，在混合氫和光能注入的情況下，兩個一氧化碳分子與氫結合在一起。據信，反應在銅和氮化鎵氧化物的界面處完成，兩個氧原子被剝離，並被分解水中的三個氫原子取代。

研究團隊發現，半導體在光照下產生的自由電子中有61% 參與了生成乙烯的反應。 雖然另一種基於銀和銅的催化劑也能達到類似的效率，大約是50%，但它需要在碳基液體中運行，而且只能運行幾個小時就會退化。 相比之下，密西根團隊的設備運行了116 個小時而沒有減速，該團隊的類似設備已經運行了3000 個小時。

這部分是由於氮化鎵和水分裂過程之間的協同關係： 氧氣的加入改善了催化劑，實現了自我修復過程。 裝置的壽命極限將在今後的工作中進行探索。該裝置產生乙烯的速率比最接近的競爭系統高出四倍以上。

麻省理工大學電機與電腦工程助理研究科學家、論文第一作者張炳興說：”未來，我們還想生產其他一些多碳化合物，如三碳丙醇或液體產品。”

液體燃料可以使許多現有的交通技術實現永續發展，這也是米澤天的終極目標。

編譯自/ SciTechDaily