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我国二氧化碳转化燃料方面取得进展

  在国家自然科学基金等项目的资助下,南京大学邹志刚课题组利用人工光合成反应,将二氧化碳转化为碳氢化合物燃料,这在利用光催化反应实现碳的循环利用方面具有积极的意义,相关研究结果发表在近期的Angew.Chem.Int.Ed.和J.Am.Soc.Chem.杂志上。
  
  近年来,全球气候变化的矛头直指CO2。如何探索有效地控制大气中CO2的含量,引起了有关环境、材料、化学等多学科科学家的极大兴趣。一些科学家也在探索如何变废为宝,利用CO2作为能源来源。一种可能的技术路径是在常温常压下,利用光催化材料将CO2高效转化为碳氢化合物,如甲烷等碳氢化合物燃料。
  
  但是,打散CO2分子并合成燃料用碳氢化合物需要耗费大量能量。因此,开发高效太阳能转换光催化材料已成为当前国际材料领域为解决能源和环境问题所进行的重大前沿科学探索之一。
  
  光催化材料可以分成第一代和第二代,第一代光催化材料主要是紫外光响应型,其典型的代表材料是TiO2。第一代光催化材料只能利用太阳光中的紫外光,而紫外光只占太阳光能量的4%左右,可见光(400~750nm)却占太阳光能量的43%。早在2001年,邹志刚等人发现了In0.9Ni0.1TaO4光催化材料并应用于光解水制氢,实现了将太阳能转化为化学能,论文发表于《自然》杂志。该工作发展了一种全新的具有可见光活性的新型复杂氧化物催化体系,代表了第二代可见光响应型光催化材料体系研究的开始。
  
  此后,邹志刚课题组又成功地开发了一系列新的材料体系。此次,课题组及其合作者利用介孔NaGaO2胶体为模板,通过离子交换方法,在室温下成功合成出了ZnGa2O4介孔光催化材料。将介孔ZnGa2O4用于CO2的光还原,成功地实现了将CO2转化为碳氢化合物燃料。
  
  该课题组还采用溶剂热法,合成出数百微米长、厚度仅为7nm(相当于5个晶胞厚度)、长/径比高达10000的Zn2GeO4单晶纳米带。由于Zn2GeO4具有一维单晶纳米结构,从而极大地降低了电子和空穴的复合几率,在CO2光还原转化为碳氢化合物燃料反应中表现出较高的催化活性。
  
  据悉,拓宽光催化材料的光响应范围,提高CO2转化为碳氢化合物燃料的效率是科学家下一步研究的目标。
  
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