創新材料突破：將二氧化碳轉化為液態燃料的新希望

科學家們最近開發出一種結合有機與無機特性的新型材料，這項突破性研究有望應用於將大氣中的二氧化碳轉化為液態燃料的技術。這篇名為「溫和退火分子層沉積錫酮薄膜作為矽光陰極的光電化學穩定且高效的電子傳輸層」的研究論文，已發表於《ACS應用能源材料》期刊。

「這項研究的核心目標是設計一種表面材料，能夠有效地將大氣中的二氧化碳轉化為甲醇——一種液態燃料，」北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程學系教授Gregory Parsons解釋道。「我們假設一類稱為金屬酮（metalcone）的材料將是解決這個挑戰的關鍵工具。這篇論文的重點就是針對這個應用來設計金屬酮薄膜。」

無機材料通常具有固態和穩定的特性，而有機材料則可能具有類似海綿的物理特性，並且化學反應性較高。金屬酮薄膜兼具有機和無機特性，因此擁有兩者的優點。

「我們希望找到一種方法來製造金屬酮薄膜，既能保留其作為半導體材料與液態環境之間良好介面的無機特性，又能維持其有機特性，以創造高效的電子傳輸路徑，」Parsons補充道。

「然而，金屬酮在實際應用中面臨一個重大挑戰，」論文的第一作者、北卡羅來納州立大學博士後研究員Hyuenwoo Yang指出。「如果將金屬酮置於水溶液中，其有機特性會導致材料溶解，使其失去實用價值。如果以高溫退火處理，雖然能提高物理穩定性，但卻會失去吸引人的電化學特性。」

「現在，我們已經展示了一種方法，可以同時提升金屬酮的穩定性和電化學特性，使其成為光電化學二氧化碳還原應用的極具潛力候選材料，」Yang說道。

在這項研究中，研究人員使用了一種名為錫酮（tincone）的金屬酮，它本質上是一種錫氧化物（SnO₂），其中的氧原子被有機氧化物成分取代。換句話說，在錫氧化物材料中，是氧原子將錫氧化物分子連線在一起；而在錫酮中，這些錫氧化物分子則透過碳鏈相互連線。

由於高溫退火會消除吸引人的電化學特性，研究人員決定嘗試在較低溫度範圍內對錫酮進行退火處理。「我們發現，在250攝氏度的『溫和』退火條件下，錫酮在水性電解質中的穩定性大幅提升，這對於其在光電化學二氧化碳還原應用中的潛在使用至關重要。此外，溫和退火還改善了電荷傳輸，使其電化學特性更適合這些應用，」Yang解釋道。

「我們接下來的步驟是將二氧化碳催化劑與這種溫和退火的錫酮結合，並將這種工程材料整合到應用中，以觀察其將大氣中的CO₂轉化為甲醇的效率。」

這篇論文的其他共同作者包括北卡羅來納州立大學的高階專案經理Christopher Oldham、博士後研究員Arun Joshi Reddy、化學教授Paul Maggard，以及北卡羅來納大學教堂山分校的Carrie Donley、Renato Sampaio、John Dickenson、Pierpaolo Vecchi和Gerald Meyer。