實現(xiàn)“液態(tài)陽光”邁出關鍵一步

將清潔的太陽能轉化為可儲存、可運輸?shù)娜剂希钱斀窨茖W界“圣杯”式的難題?？茖W家曾提出“液態(tài)陽光”(即“太陽燃料”)的構想，以應對未來化石燃料枯竭的能源需求和氣候變化。10月16日《自然—催化》發(fā)表的一篇論文顯示，中科院大連化學物理所研究員、中科院院士李燦團隊發(fā)現(xiàn)了一種可與自然光合作用催化劑活性相媲美的單核錳催化劑，為實現(xiàn)“液態(tài)陽光”構想邁出關鍵一步。

光合作用中，植物利用太陽能將水裂解釋放氧氣、為生物合成提供電子和質子，并進行光合反應，這是人類夢寐以求的能源轉化過程。不久前，《焦耳》雜志發(fā)表了中國科學院院長、中科院院士白春禮等作者的文章，提出“液態(tài)陽光”的倡議，指出實現(xiàn)液態(tài)陽光關鍵在于將太陽能轉化為穩(wěn)定、可儲存、高能量的化學燃料，這應該引起科學界重視。其中，水氧化是自然光合作用和人工光合成的原初反應，實現(xiàn)“液態(tài)陽光”的關鍵在于開發(fā)高效穩(wěn)定的水氧化催化劑。

李燦告訴《中國科學報》記者，自然光合作用水氧化反應的催化劑是一個多核錳的化合物，由四個錳離子和一個鈣離子及多個氧原子組成，催化活性為每秒鐘發(fā)生化學反應次數(shù)(TOF)為100至400次之間。

長期以來，科學家沿著這一思路尋找模擬自然光合作用的多核錳催化劑。李燦團隊也不例外。“一開始，我們并沒有預測到單核錳催化劑會具有如此高的催化活性。”李燦坦言。

研究人員將含錳的氧化物納米顆粒固定在作為基體的氮化石墨烯上，在基體上逐步分散納米顆粒，并測量其在不同分散程度下的催化活性。他們意外地發(fā)現(xiàn)，納米顆粒尺寸越小，水氧化活性越高。

“按照這個思路，我們繼續(xù)分散納米顆粒，直至到單核尺度，其水氧化活性突躍上升到每秒鐘發(fā)生化學反應200次以上。”李燦指出。這是目前報道的多相催化劑水氧化最高的活性，也達到了自然光合作用水氧化多核錳催化劑的水平。

李燦同時表示：“這是我們在長達18年里圍繞人工光合成關鍵科學問題的攻關取得的階段性成果。”自2001年起，他帶領的科研團隊致力于人工光合成太陽燃料研究，在太陽能光催化、光電催化和電催化分解水制氫，以及二氧化碳加氫制甲醇等方面取得了進展，研發(fā)了系列具有自主知識產權的相關專利技術。今年7月，該團隊在蘭州新區(qū)成功啟動千噸級液態(tài)太陽燃料生產示范工程，標志著我國真正意義上開始了大規(guī)模液態(tài)太陽燃料生產過程的實踐。

李燦說，未來，此次發(fā)現(xiàn)的單核錳催化劑有望在該示范工程中應用。

相關論文信息：DOI: 10.1038/s41929-018-0158-6