新型复合光催化剂有效利用光而转化二氧化碳为甲烷燃料

二氧化碳（CO₂）是导致全球暖化的主要温室气体，假如二氧化碳能够转化为能源，就可谓一石二鸟。由香港城市大学（香港城大）科学家领导的联合研究团队早前便研发出一套光催化系统，在阳光照射下模拟光合作用，配合他们新研发的复合光催化剂，能够从二氧化碳选择性和有效地生产出燃料甲烷（methane, CH₄），于首8小时的反应过程中，甲烷的产量增加近一倍。

研究由香港城大能源及环境学院（SEE）副教授吴永豪博士领导，并与来自澳洲、马来西亚和英国大学的学者合作。研究结果已于科学期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上发表，题为〈Metal-Organic Frameworks Decorated Cuprous Oxide Nanowires for Long-lived Charges Applied in Selective Photocatalytic CO₂ Reduction to CH₄〉。

受大自然启发的光催化

“受大自然的光合作用启发，我们研发的太阳能光催化剂能够有效地把二氧化碳转化为燃料甲烷，将可减低碳排放，而且催化剂以铜为原料，价格将相对可负担。" 吴博士说。

他解释，要把二氧化碳转化为能源的过程其实并不简单，而利用光催化剂去把二氧化碳转化为甲烷，在热力学上极具挑战，因为化学还原过程（chemical reduction）里需要有八粒电子同时转移，但把二氧化碳转为一氧化碳则只需两粒电子，因此过程中往往会更易产生对人体有害的一氧化碳。

他指出，半导体材料氧化亚铜（cuprous oxide, Cu₂O）能有效吸收可见光，于不同的研究里被用作光催化剂或电催化剂，将二氧化碳化学还原为一氧化碳和甲烷等化学产物。不过，还原过程面对几个主要问题，包括︰一、催化剂稳定性不足；二、化学还原过程难以操控，会一并产生一堆化学品混合物，需要进一步分离和净化来提炼出甲烷，过程繁复，亦难以大规模应用；以及三、氧化亚铜在短暂受照后会容易自我腐蚀为铜或氧化铜。

选择性地只产生甲烷 

提升二氧化碳吸收量

团队在直径约为400纳米的一维（1-D）氧化亚铜纳米线外，包裹一层厚度约为300纳米的铜基MOF材料。这层材料能够稳固氧化亚铜的形貌，但又不会阻碍它吸收光线，而且本身是吸二氧化碳的材料，加上其框架结构提供了大量面积去吸附更多的二氧化碳，并紧贴在氧化亚铜的表面，因此可以在接近产生催化反应的地方吸聚大量二氧化碳，促进了整个化学还原反应。

电子停留在MOF　增加化学反应机会

论文的第一作者、同样来自SEE的吴昊博士更点出是次研究的其中一个重点，并说︰"我们运用了先进的时间分辨光致发光（time-resolved photoluminescence）技术，观察到受光照激发的电子从氧化亚铜的导带直接转移到MOF的最低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）能级并停留在那里，因而造成较持久的电荷分离状态，而并非瞬间返回能级较低的价带；停留在MOF的电子于是有更大机会发生化学反应。"

扩阔对MOF和金属氧化物之间关系的理解

此前，科学界一向认为MOF在改善光催化反应时，其主要作用只是作为反应体吸附剂（reactant adsorbent），负责吸附大量的反应体，但团队这次的研究则揭示了被激发的电荷如何于氧化亚铜与MOF之间迁移。吴博士说︰“我们证明了MOF会改变电荷的通路，于塑造反应机制上扮演更重要的角色。" 他指出，这一发现扩展了对MOF和金属氧化物之间关系的理解，不只是过往以为的物理/化学吸附的相互作用，更会促使电荷分离。

研究团队花了超过两年研究出这个转化二氧化碳的有效策略，下一步将会提升甲烷的生产效率，并研究大规模生产催化剂与反应系统的方法。吴博士总结说：“我们整个把二氧化碳转为甲烷的过程唯一所需的能源便是太阳光。我们希望将来能够藉此＇循环再用＇由工厂和汽车排放的二氧化碳，从而生产出洁净燃料。"

吴博士是论文的通讯作者，而论文的第一作者是吴昊博士。研究团队其他成员则来自伦敦大学学院、新南威尔士大学、马来西亚蒙纳士大学、以及斯威本科技大学。

这项研究获得香港城大、香港研究资助局和澳大利亚研究理事会的资助进行。 

DOI number: 10.1002/anie.202015735

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