伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago，UIC）的研究人员设计了一款新型的太阳能电池。这款太阳能电池能够只使用阳光作为能源，经济并且有效地将大气中的二氧化碳直接转化为可用的碳氢化合物燃料。
这一项目是由美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）和美国能源部资助完成的，其结果将刊登在7月29日的《科学》杂志上。目前该项目已提交了临时专利申请。
传统的太阳能电池是将太阳能转换成电能，而后产生的电能必须存储于很重的电池中。不同于传统的是，新的设备主要进行的是类似于植物光合作用的工作——将大气中的二氧化碳直接转化成燃料。这种“人造树叶”般的太阳能电池不仅可以显著减少大气中的碳排放量，同时能高效地生产高能燃料，一次性解决两个难题。
来自UIC的Amin Salehi-Khojin 是机械工业工程专业的助理教授，他同时是该论文的主要作者。他表示“新的太阳能电池不是光伏发电，而是光合作用”。
他同时指出：“靠化石燃料燃烧提供能源不可避免的会产生温室气体，这是单向的，不可持续的生产能源的方式。而现在我们能够逆转这个过程——利用太阳光来回收大气中的碳来得到燃料。”
类似于植物光合作用产生糖分提供能量，这种“人造树叶”能够产生合成气（以一氧化碳和氢气为主要组分的混合气体）作为燃料。合成气可以直接燃烧，或者转换成柴油或其它烃类燃料。
将二氧化碳转化为燃料的成本与一加仑汽油直接燃烧的成本相比较具有优势，这将会使化石燃料成为过去式。
将二氧化碳转化成碳的可燃形式的化学反应被称为还原反应。Salehi-Khojin指出，工程师们一直在探索不同的催化剂催化二氧化碳还原的效果，但到目前为止，这样的反应仍然效率低下，并且得依靠贵金属如白银等来催化完成。
他强调：“我们需要的是一类新的具有非凡特性的化学物质。”
Salehi-Khojin 和他的同事们将重点集中在一类被称为过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMDCs）纳米结构化合物上，将其作为催化剂，并在具有两室和三个电极的电化学电池内与非常规离子液体电解质进行配对。
结果表明，他们研究的几种催化剂中催化效果最好的是二硒化钨纳米片。
论文的第一作者，UIC的博士后Mohammad Asadi指出：“新的催化剂更加活跃，同时更有可能打破二氧化碳的化学键。事实上，新的催化剂比贵金属催化剂催化效率快1000倍，但是价格却只有贵金属催化剂的二十分之一。”
其他的研究人员已经使用过TMDC催化剂通过其他方式来产生氢气，并没有还原二氧化碳的过程。因为催化剂在这个反应中失活。按照Salehi-Khojin所述，催化剂的活性部分会中毒和氧化。而这项研究新的突破就是使用了一种名为乙基甲基咪唑四氟硼酸盐的离子液体与水按1:1混合。
Salehi-Khojin表示：“水和离子液体的组合能形成一种助催化剂，其作用是可以保留恶劣还原反应条件下，催化剂的活性位点。”
UIC的“人造树叶”包含两个18平方厘米的硅基三结光伏电池，用以接受光能；二硒化钨和离子液体组成的助催化剂体系在阴极侧；而氧化钴在在阳极侧磷酸钾电解质中。
当平均强度为100W/㎡的光到达地球表面时，电池被激活，氢气和一氧化碳从阴极析出，与此同时，游离氧和氢离子在阳极产生。Asadi说：“氢离子通过膜扩散到阴极侧，参与二氧化碳还原反应。”
Salehi-Khojin 表示：“该技术应该不仅适用于大规模使用，如太阳能电厂，也同样适用于小规模的应用。不久的将来，如果在火星上发现了水的存在，这项技术很可能在那里投入使用，因为火星的大气主要成分是二氧化碳。”
美国国家科学基金会项目主任Robert McCabe认为：“这项工作从NSF支持研究项目中获益匪浅。而这项项目主要致力于对有应用价值的技术和工程成就的基础研究。”
“这个结果很好地融合了实验和计算研究，并借此对过渡金属二硫属化物的独特电子性质有了新的认识。”McCabe表示，“该研究小组还将经典机械论的思想与巧妙的电化学设计结合在了一起，这对选择合适的催化剂来保证能源转换和保护环境做出了巨大贡献。”
翻译：王思淇
校审：赵昌昊
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2016/07/160728142921.htm
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