革命性人工葉片：將二氧化碳轉化為珍貴燃料與化學品

科學家們成功研發出一種人工葉片，它能夠利用陽光將二氧化碳轉化為烴類，為化石燃料提供了一種永續的替代方案。這種人工葉片上附有微小的銅「奈米花」，可用於生成清潔燃料和重要化學品，而這些化學品正是現代能源和製造業的核心要素。

劍橋大學和加州大學柏克萊分校的研究人員開發出一種實用方法，僅利用陽光就能製造烴類——由碳和氫組成的分子。他們的裝置將由鈣鈦礦（一種高效太陽能電池材料）製成的吸光「葉片」與銅奈米花催化劑相結合，從而將二氧化碳轉化為有價值的分子。

大多數金屬催化劑只能將二氧化碳轉化為單碳分子，而銅「奈米花」則有助於生成更複雜的含兩個碳原子的烴類，如乙烷和乙烯。這些烴類是液體燃料、化學品和塑膠的關鍵組成部分。目前，幾乎所有的烴類都來自化石燃料，但劍橋 - 柏克萊團隊開發的方法能夠利用二氧化碳、水和甘油（一種常見的有機化合物）製造出清潔的化學品和燃料，且不會產生額外的碳排放。相關研究成果已發表在《自然催化》期刊上。

這項研究是基於該團隊早期在人工葉片方面的工作，其靈感源自光合作用——植物將陽光轉化為食物的過程。該研究的主要作者、劍橋大學尤素福·哈米德化學系的維吉爾·安德魯博士表示：「我們希望超越基本的二氧化碳還原，生產出更複雜的烴類，但這需要更多的能量。」安德魯是劍橋大學聖約翰學院的研究員，他是在加州大學柏克萊分校楊培東教授的實驗室中，作為溫頓劍橋 - 卡弗裡環境科學與工程研究所交流專案的一部分開展這項工作的。

透過將鈣鈦礦吸光體與銅奈米花催化劑相結合，該團隊成功生產出更複雜的烴類。為了進一步提高效率並克服分解水的能量限制，團隊新增了矽奈米線電極，這些電極可以氧化甘油。這個新平臺生產烴類的效率比早期分解水和二氧化碳的系統高出 200 倍。

這一反應不僅提高了二氧化碳的還原效能，還能生產出高價值的化學品，如甘油酸鹽、乳酸鹽和甲酸鹽，這些化學品在製藥、化妝品和化學合成等領域都有應用。安德魯表示：「甘油通常被視為廢物，但在這裡它對提高反應速率起到了關鍵作用。這表明我們的平臺不僅可用於廢物轉化，還能應用於更廣泛的化學過程。透過精心設計催化劑的表面積，我們可以控制生成的產物，使過程更具選擇性。」

目前，二氧化碳轉化為烴類的選擇性約為 10%，但研究人員對改進催化劑設計以提高效率持樂觀態度。該團隊希望將他們的平臺應用於更複雜的有機反應，為永續化學生產的創新開啟大門。隨著不斷改進，這項研究有望加速向迴圈、碳中和經濟的轉型。

安德魯說：「這個專案是全球研究合作如何帶來重大科學進展的一個典範。透過結合劍橋和柏克萊的專業知識，我們開發出了一個可能重塑永續燃料和珍貴化學品生產方式的系統。」

參考文獻：Virgil Andrei、Inwhan Roh、Jia - An Lin、Joshua Lee、Yu Shan、Chung - Kuan Lin、Steve Shelton、Erwin Reisner 和 Peidong Yang 所著的《鈣鈦礦驅動的太陽能從二氧化碳合成 C2 烴類》，2025 年 2 月 3 日，《自然催化》。DOI：10.1038/s41929 - 025 - 01292 - y。該研究部分得到了溫頓永續物理學計劃、聖約翰學院、美國能源部、歐洲研究理事會和英國研究與創新署（UKRI）的支援。