研究人员一直试图模仿光合作用，利用太阳的能量制造化学燃料。现在，美国科学家开发出一种新型铜—铁基催化剂，可借助光将二氧化碳转化为天然气主要成分甲烷，这一方法是迄今最接近人造光合作用的方法。研究人员称，新催化剂如获进一步改良，将降低人类对化石燃料的依赖。
2020年1月出版的美国《国家科学院院刊》报道了这种新型催化剂，作为将二氧化碳转化为甲烷的光驱动催化剂，其效率和产量是有史以来最高的。
甲烷已超煤炭成为美国主要发电燃料。甲烷燃烧时会分解成二氧化碳和水，释放出的热量可发电。而利用阳光制造甲烷则相反：二氧化碳、水，加电生成甲烷。但这种转换并非易事——必须将八个电子和四个质子加到一个二氧化碳分子中，才能形成一个甲烷分子，而每添加一个电子和质子都需要能量来推动反应继续进行。
金属催化剂可加速这些反应。几年前，科学家发现，铜颗粒与吸光材料携手，有望将二氧化碳转化为能量更丰富的化合物，但这种方法的效率和速度都很低。2016年，研究人员报告称，含有铜和金的催化剂可将二氧化碳转化为一氧化碳（工业上广泛使用的化合物）。2019年3月，密歇根大学电气工程师米泽田（音译）及同事发现，在吸光氮化镓（GaN）纳米线阵列顶部生长的钌—锆基催化剂能将二氧化碳变为另一种工业化合物。但上述诸多反应都无法制造出能广泛使用的燃料。
现在，米泽田团队制造出的新催化剂解决了这一问题。他们先在商用硅晶圆上生长出氮化镓纳米线，然后用电沉积方法，朝其上添加5至10纳米宽的颗粒（由铜和铁组成）。得到的化合物在光照下，在二氧化碳和水存在时，可快速将光中51％的能量转换为甲烷。
米泽田表示，新催化剂是所有将二氧化碳转化为甲烷的光驱动催化剂中，转化效率和产量最高的。计算机模型表明，催化剂中的两种金属携手与二氧化碳分子结合，使其更易于反应并吸收进入的电子。米泽田解释道：“这降低了关键步骤的能量屏障。”
研究人员称，新催化剂的组成成分价格便宜，数量丰富，他们计划进一步提高甲烷生产的效率。■
