微小的铜“纳米花”与人工叶片结合，已被用于生成清洁燃料和当今能源与制造业所需的化学品。
剑桥大学与加州大学伯克利分校的研究团队创造了一种有效的方法，仅利用太阳能就能生产碳氢化合物——由碳和氢组成的化合物。
他们设计的装置将一片由被称为钙钛矿的高效太阳能电池材料制成的光吸收“叶子”，与铜纳米花催化剂结合，以将二氧化碳转化为有价值的分子。与绝大多数只能从CO₂中生成单碳分子的金属催化剂不同，铜纳米花促进了合成更复杂的有机碳氢化合物，如乙烷和乙烯，这对于创造液体燃料、各种化学品和塑料至关重要。
目前，几乎所有的碳氢化合物都来自化石燃料，而剑桥和伯克利团队建立的技术则通过CO2、水和丙三醇（一种广泛使用的有机化合物）生成清洁化学品和燃料，而不会释放额外的碳排放。他们的研究成果发表在《自然催化》期刊上。
这项研究建立在以人工叶为重点的先前研究基础上，灵感来自光合作用——植物将阳光转化为能量的机制。“我们的目标是超越简单的二氧化碳还原，创造更复杂的碳氢化合物，这需要大量更多的能量，”剑桥大学尤素夫·哈米德化学系的首席作者维吉尔·安德烈博士解释道。
安德烈博士是剑桥大学圣约翰学院的研究员，他在加州大学伯克利分校于佩东·杨教授指导下进行这项工作，作为温顿剑桥-卡夫利ENSI交流项目的一部分。
通过将钙钛矿光吸收器与铜纳米花催化剂结合，研究人员成功生产了更复杂的碳氢化合物。为了提高效率并解决与水分解相关的能量挑战，他们结合了氧化丙三醇的硅纳米线电极。这一创新平台使得碳氢化合物的产量显著提高——在水和二氧化碳分解方面比以往的方法高出200倍。
这一反应不仅增强了CO₂还原能力，还生成了甘油酸、乳酸和甲酸等高价值化学品，这些化学品在制药、化妆品和化学制造中非常有用。
“通常情况下，甘油被视为废物，但我们发现它在加速反应速度方面发挥着重要作用，”安德烈博士说。“这表明我们可以利用我们的平台进行更广泛的化学过程，而不仅仅是废物转化。通过精心设计催化剂的表面积，我们可以影响我们创造的产品，提高过程的选择性。”
虽然目前将CO₂转化为碳氢化合物的选择率约为10%，但研究人员希望催化剂设计的改进可以提高效率。团队预期将他们的平台应用于更复杂的有机反应，为可持续化学生产的进展铺平道路。随着持续改进，这项研究可能加速向循环、碳中和经济的过渡。
“这个项目展示了全球研究合作如何催化有意义的科学进展，”安德烈博士指出。“通过结合剑桥和伯克利的专业知识，我们创造了一个可能改变燃料和有价值化学品可持续生产的系统。”
这项研究部分得到了温顿可持续物理项目、圣约翰学院、美国能源部、欧洲研究委员会和英国研究与创新（UKRI）的支持。
