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人工光合成技术:向太阳要廉价能源

添加时间:2023-04-18 作者:汪颖 龙金林 来源:科普时报 点击:1087 收藏 打印 字体:
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进入21世纪,在科技进步、经济高速发展的同时,人类日益增长的能源需求与能源短缺的矛盾不断加剧,而太阳能作为地球上能量丰富而又取之不竭的能源,给人类文明持续发展带来新希望。

化学家向大自然学习,从植物的光合作用原理中得到启发,开发了人工光合成技术,即在太阳光的驱动下将二氧化碳与水转化为有机燃料、工业原料、氧气,成功实现太阳能向化学能的转化。该技术凭借其反应条件温和、成本低廉等优势,被称为“21世纪梦技术”。

美国化学家创新人工光合作用新系统,将水和二氧化碳转化为乙醇、甲烷等物质,作为燃料电池的燃料,实现了低碳、甚至零碳的目标。

最早被报道的人工光合成反应,可以追溯到1972年日本科学家藤岛昭等人发现的二氧化钛半导体材料,可光电催化还原二氧化碳生成甲醇和甲醛,引爆波及全球的研究热潮。

目前,人们普遍认为人工光合成过程分为3个步骤:首先是光生载流子的生成过程。半导体材料价带上的电子吸收光能,跃迁至导带,同时将空穴留在价带上。电子与空穴这对光生载流子,具有与半导体导带或价带位置对应的还原与氧化能力。其次,光生载流子迁移过程中,一部分寿命较长的光生载流子,会在电场或者扩散作用下分别迁移至半导体表面参与反应过程。最后,迁移到半导体表面的光生载流子,与吸附在半导体表面上的二氧化碳和水发生氧化还原反应,完成人工光合成过程。

通过人工光合成的3个主要步骤不难看出,高效的半导体材料与器件是实现太阳能转化和利用,以及发展人工光合成技术的关键。在40多年的发展历程中,科学家们研发了种类繁多的人工光合成材料和体系,然而组成与结构单一的半导体材料,很难同时满足人工光合成各步骤的需求,因此设计并构建特殊结构或表面活性单元,成为合成高效的半导体材料与器件的有效策略。国内外众多学者对此类半导体材料开展了大量研究,并取得可喜进展,研制出众多复合半导体材料。2023年,福州大学化学学院熊宇杰教授研究团队设计的一类等离激元催化材料,在可见光区和红外光区实现了二氧化碳与水的100%高选择性转化,突破了世界上光驱动二氧化碳转化速率的最高纪录。

除了应对地球能源危机,中国科学院院士邹志刚等人于2022年提出将人工光合成技术应用于地外空间新思路,提出一套利用月壤进行地外人工光合成的策略,主要利用人类呼吸的二氧化碳和月球上原位开采的水资源,共同产生碳氢化合物和氧气。这一策略有助于未来人类在月球上探测、居住和旅行,实现这一目标可以极大提高人类在月球生存的可行性和持久性,为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定了理论基础。

随着人工光合成技术的不断发展,其在化学、物理、材料、能源等诸多领域受到许多关注,在清洁能源、国防军事、汽车工业、家电行业等众多领域展现出广阔应用前景。

(第一作者系福州大学化学学院能源与环境光催化国家重点实验室讲师、硕士生导师,第二作者系福州大学化学学院能源与环境光催化国家重点实验室研究员、博士生导师)

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