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人工光合作用利用陽光將二氧化碳再循環為綠色甲烷

2020/04/29 @國際

摘要

美國密西根大學聯合研究團隊以化學理論,推導運用太陽能或電流降解二氧化碳與水之催化劑為銅與鐵的奈米顆粒,並將此催化劑佈於太陽能板表面,成功產生綠色甲烷,並使用綠色甲烷作為合成天然氣與甲酸之材料,達成綠色循環之目的。

人工光合作用利用陽光將二氧化碳再循環為綠色甲烷

  密西根大學電氣工程和計算機科學教授—Zetian Mi表示美國30%的能源來自天然氣,因此發展出綠色甲烷作為替代能源是很重要的。根據這項目標,密西根大學、麥基爾大學和麥克馬斯特大學合作研發出新型催化劑促使甲烷生成。此項研究由亞伯達省減排放與自然科學機構、加拿大工程研究委員會以及U-M工程學院的藍天計劃資助,研究成果發表於《美國國家科學院院刊》,且U-M在該催化劑上擁有多項專利,正在尋求合作夥伴將其推向市場。

  光合作用是綠色植物利用陽光、二氧化碳和水為自己製造養分並釋放副產物氧的過程。人工光合作用旨在將相同的原料生產類似於天然氣或汽油的碳氫燃料,也就是利用陽光將二氧化碳轉變為甲烷,期協助天然氣動力裝置達到碳中和,使溫室氣體的增加與減少相同。然而,碳成分必須從二氧化碳中收集,且因二氧化碳是最穩定的分子之一,所以二氧化碳需要大量能量得以分解,進而使二氧化碳轉化為甲烷的過程非常困難,同樣地,必須打破H2O的鍵結才能將氫連接到碳上。每個碳都需要四個氫原子才能轉化為甲烷,形成複雜的八隅體(每個碳氫鍵中都有兩個電子,並且有四個鍵)。因此,催化劑的設計對此反應的成功與否極為重要。

  以往的人工光合作用設備通常僅能利用最大電流密度的一小部分操作於矽設備,而新操作手法可利用商業材料和地球含量豐富的催化劑以理論最大值的80或90%進行操作,其作用原理是將電引導至甲烷生成反應中,避開了副產物的生成,如氫氣或一氧化碳,因此研究團隊可調控相對較大的電流於大批量生產的設備中。新技術的成功主因是研究團隊利用推導出的化學理論並計算關鍵催化劑的成分,其為銅與鐵的奈米顆粒。作用方式為銅與鐵固定分子中的碳和氧原子,為氫騰出時間來使水分子碎片躍遷到碳原子上。根據此項原理,科學家將太陽能板的表面散佈著銅與鐵奈米粒子,基層的材質為矽晶片,與一般太陽能電池版中已有的矽晶片不同,該晶片頂部被水薄膜覆蓋的奈米線,由半導體氮化鎵製成,每個奈米線高300奈米(0.0003毫米),寬約30奈米。這樣的設計可產生大面積的反應,且能利用太陽能或電流來降解二氧化碳和水。也就是此設備可僅在太陽能下運作或是加上補充電力提高甲烷產量,或單靠補充電力於黑暗中運作產生甲烷。【延伸閱讀】人造葉片的發明可望以較乾淨的方式生產能源

  試驗成果顯示,太陽能催化劑由多種材料製成並能夠大規模生產,而人工光合作用面板需要高濃度二氧化碳來源,例如從工業煙囪中收集的二氧化碳,因此研究員認為5到10年間可能可以將煙囪中的二氧化碳再循環成清潔燃料。現今,該裝置除了產生合成天然氣(syngas)外,還可以產生動物飼料中的常見防腐劑—甲酸

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