一组科学家发现了一种单点可见光活化催化剂，它能将二氧化碳(CO2)转化为“积木”分子，可用来制造有用的化学物质。
这项发现开启了利用阳光将温室气体转化为碳氢化合物燃料的可能性。
科学家们利用National Synchrotron Light Source II——美国能源部(DOE)位于布鲁克海 国家实验室的科学用户设施办公室(Office of Science user facility)——来揭示这一高效反应的细节。
该团队在刚刚发表在《美国化学学会杂志》(Journal of The American Chemical Society)上的一篇论 中描述了这种单位点催化剂。
将二氧化碳转化为更简单的部分——一氧化碳(CO)和氧气——在现实生活中具有宝贵的应用价值。
布鲁克海 实验室(Brookhaven Lab)和石溪大学(Stony Brook University)联合任命的化学家阿纳托利·弗兰克尔(Anatoly Frenkel)领导了这项研究，试图了解催化剂的活性。这项研究是由新罕布什尔大学的物理化学家Gonghu Li完成的。
“我们现在有证据表明，我们制造了一种单位点催化剂。以前没有研究 告使用单一离子的太阳能减少二氧化碳方案。”
打破二氧化碳的化学键需要大量的能量和很长时间。
因此，Li着手开发一种催化剂，以降低能量壁垒，加快这一过程。
Frenkel说:“问题是，在几种可能的催化剂之间，哪一种更有效、更实用?”
打破二氧化碳化学键的一个关键因素是电子的供应。
当一种被称为半导体的材料以光的形式被能量激活时，就会产生这些电子。
光“踢出”电子，也就是说，使它们能够被化学反应的催化剂利用。
但是许多半导体只能被紫外线激活，而紫外线只占太阳光谱的不到5%。
Frenkel说:“我们面临的挑战是找到另一种半导体材料，在这种材料中，自然光的能量将与电子完全匹配。”
科学家们还需要将这种半导体与一种催化剂结合在一起，这种催化剂由自然界中大量存在的材料制成，而不是像铂这样稀有昂贵的金属。
他们希望催化剂具有足够的选择性，只驱动将二氧化碳转化为一氧化碳的反应。
Frenkel说:“我们不希望这些电子用于除减少二氧化碳之外的其他反应。”
与石墨化氮化碳(C3N4)结合的钴离子，一种由碳、氮和氢原子构成的半导体，满足了所有这些要求。
“使用C3N4作为一种无金属半导体来获取可见光和驱动化学反应已经引起了极大的兴趣。”Li说。
C3N4在光照射下产生的电子具有足够高的能量来减少二氧化碳。
这些电子的寿命通常不够长，无法到达半导体表面用于化学反应。
“在我们的研究中，我们采用了一种常见而有效的策略，即使用牺牲电子供体为催化剂生成足够的高能电子。这一战略使我们能够专注于二氧化碳减排的催化作用。最终，我们希望利用水分子作为催化过程的电子供体。”
Li实验室的博士后Peipei Huang通过将钴离子简单地沉积在一种C3N4材料上制成了这种催化剂。C3N4材料由商业上可用的尿素制成。
随后，研究小组与新罕布什尔大学的克里斯汀·卡普托(Christine Caputo)和伍斯特理工学院的罗纳德·格林(Ronald Grimm)合作，利用多种技术对合成催化剂进行了广泛的研究。
该催化剂在可见光照射下具有降低CO2的作用。
Frenkel说:“这种催化剂做了它应该做的事情——分解二氧化碳，在可见光下以非常好的选择性生成一氧化碳。”
“但下一个目标是看看它为什么有效。如果你能理解它的工作原理，你就能根据这些原理制作出更好的新材料。”
所以Frenkel和Li进行了头脑风暴实验，以精确地展示催化剂的结构。
结构研究将为科学家提供钴原子的数量、它们相对于碳原子和氮原子的位置，以及科学家可能调整以进一步改进催化剂的其他特征的信息。
他们求助于NSLS-II上的快速X射线吸收和散射(QAS)波束线来使用X射线吸收光谱。
在波束线首席科学家史蒂芬·埃利希(Steven Ehrlich)的帮助下，弗兰克尔的学生Jiahao Huang采集了数据并分析了光谱。
在这项技术中，来自NSLS-II的X射线被样品中的原子吸收，然后原子发射出电子波。
光谱显示这些电子波如何与周围的原子相互作用，就像湖面上的涟漪遇到岩石时被打断一样。
Ehrlich说:“为了能够进行X射线吸收光谱分析，我们需要调整和扫描击中样品的x射线的能量。”
每个元素都能以不同的能量吸收X射线，称为吸收边缘。
“在新的QAS波束线，我们可以扫描X射线的能量通过不同元素的吸收边缘能量，如钴在这种情况下的。”
“然后我们测量每个X射线能量值被样品吸收的光子的数量。”
此外，Frenkel解释说，“每一种原子在被X射线激发或被其他波击时，都会产生一种不同类型的电子波纹，所以X射线吸收光谱可以告诉你周围的原子是什么，以及原子之间的距离和数量。”
分析表明，分解CO2的催化剂是由四面被氮原子包围的钴离子组成的。
“没有钴-钴对。所以，这是他们实际上是分散在表面的钴原子的证据，” Frenkel说。
Frenkel补充说:“这些数据还缩小了可能的结构分布，为理论学家全面评估和理解这些反应提供了信息。”
Frenkel说，尽管论 中概述的科学还没有实际应用，但有很多应用的可能性。
在未来，这种单位点催化剂可以在阳光充足的大范围地区使用，分解大气中多余的二氧化碳，类似于植物分解二氧化碳的方式，并在光合作用过程中再利用其“积木”来构建糖类。
但是，科学家们可能会使用一氧化碳“积木”来生产合成燃料或其他有用的化学物质，而不是制造糖。
这项研究得到了美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会的部分支持。
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