| 2020 年世界十大科技進展新聞 |
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| 新型催化劑將二氧化碳變為甲烷 |
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一種新的催化劑增加了利用可再生能源產生甲烷的希望，甲烷
是用于取暖和發電的天然氣的主要成分。
研究人員一直試圖模仿光合作用，利用太陽的能量制造化學燃料。現在，美國科學家開發出一種新型銅—鐵基催化劑，可借助光將二氧化碳轉化為天然氣主要成分甲烷，這一方法是迄今最接近人造光合作用的方法。研究人員稱，新催化劑如獲進一步改良，將降低人類對化石燃料的依賴。
2020年1月出版的美國《國家科學院院刊》報道了這種新型催化劑，作為將二氧化碳轉化為甲烷的光驅動催化劑，其效率和產量是有史以來最高的。
甲烷已超煤炭成為美國主要發電燃料。甲烷燃燒時會分解成二氧化碳和水，釋放出的熱量可發電。而利用陽光制造甲烷則相反：二氧化碳、水，加電生成甲烷。但這種轉換并非易事——必須將八個電子和四個質子加到一個二氧化碳分子中，才能形成一個甲烷分子，而每添加一個電子和質子都需要能量來推動反應繼續進行。
金屬催化劑可加速這些反應。幾年前，科學家發現，銅顆粒與吸光材料攜手，有望將二氧化碳轉化為能量更豐富的化合物，但這種方法的效率和速度都很低。2016年，研究人員報告稱，含有銅和金的催化劑可將二氧化碳轉化為一氧化碳（工業上廣泛使用的化合物）。2019年3月，密歇根大學電氣工程師米澤田（音譯）及同事發現，在吸光氮化鎵（GaN）納米線陣列頂部生長的釕—鋯基催化劑能將二氧化碳變為另一種工業化合物。但上述諸多反應都無法制造出能廣泛使用的燃料。
現在，米澤田團隊制造出的新催化劑解決了這一問題。他們先在商用硅晶圓上生長出氮化鎵納米線，然后用電沉積方法，朝其上添加5至10納米寬的顆粒（由銅和鐵組成）。得到的化合物在光照下，在二氧化碳和水存在時，可快速將光中51％的能量轉換為甲烷。
米澤田表示，新催化劑是所有將二氧化碳轉化為甲烷的光驅動催化劑中，轉化效率和產量最高的。計算機模型表明，催化劑中的兩種金屬攜手與二氧化碳分子結合，使其更易于反應并吸收進入的電子。米澤田解釋道：“這降低了關鍵步驟的能量屏障。”
研究人員稱，新催化劑的組成成分價格便宜，數量豐富，他們計劃進一步提高甲烷生產的效率。■
《科學新聞》 (科學新聞2021年2月增刊 聚焦)