Language
Country/Area
No result found
光能如何转变为化学能？探究二氧化碳光电还原的神奇过程！
随着全球对可再生能源的需求日益增加，科学家们不断探索能够有效利用太阳能的方法。其中，二氧化碳光电还原技术，作为一种将光能转化为化学能的过程，引起了广泛的关注。在此过程中，二氧化碳利用光能转化为一氧化碳或各类烃类化合物，这一创新技术不仅可能成为减少温室气体排放的解决方案，还能提供可持续的化学原料来源。
「透过合适的催化剂，应能将水和二氧化碳的混合物转变为氧气和甲烷，或引发其他吸热过程。」
这一过程最早由意大利光化学家贾科莫·路易吉·查米奇安首次提出。在理论上，他揭示了如何利用光能实现二氧化碳的还原。不过，这一过程需要催化剂，且多为半导体材料。当使用来自太阳的光线作为能量来源时，这种转化过程不仅展现了化学反应的可能性，还为能源路径的可持续发展提供了新思路。
根据热力学的原则，二氧化碳还原到各种产品的电动势差异使得这一过程充满挑战。例如，二氧化碳转化为二氧化碳●−自由基所需的电压约为−1.90 V，这样的电压在水相中很难实现。这是因为二氧化碳的线性分子和弯曲自由基阴离子之间的能量重组相对较大，使得单电子还原过程变得非常不稳定。
「光电还原过程中的质子耦合多电子步骤相对于单电子还原更为稳定，能产生热力学上更稳定的分子。」
不过，尽管质子耦合的多电子还原过程相对较容易，但其动力学挑战仍然不少。这致使在半导体介面进行二氧化碳还原时，需要克服高过电位问题。在 p 型半导体/液体界面，光激发产生的电子能在照明下进入反应区域，从而进行还原反应。若我们考虑多种半导体材料，包括p-GaP、p-CdTe、p-Si、p-GaAs 等，它们都展现出了良好的光还原效果，但反应动力学上却相对缓慢，迫使科研人员寻找其他提升反应速率的方法。
针对二氧化碳的光电还原研究还区分了水相和非水相媒介的不同。水相中，二氧化碳的溶解度大约为 35 mM，但在甲醇或乙腈等非水相中，二氧化碳的溶解度则高达 210 mM。这意味着，非水相的环境会对二氧化碳还原反应的效率带来显著影响。
「如果在水相中，p-GaP 光电极的二氧化碳光还原主要生成甲酸和小量的甲醛及甲醇，那么在非水相中则主要生成一氧化碳。」
进一步的研究表明，在非水相中，p-CdTe 表现出较高的催化电流密度，并且能有效抑制氢的生成。因此，一些科学家开始在类似 DMF、乙腈及甲醇的非水相中进行二氧化碳的光电化学还原。他们发现，利用这些替代溶剂能更有效地进行还原反应，并大幅提升产物的纯度。
不论是在水相还是非水相中，光电还原技术都展示出了对于促进可持续化学合成的潜能。这一技术不仅能够将大气中的二氧化碳转化为有用的化学品，还能够促进再生能源的利用，实现碳排放的减少。
展望未来，随着对光电还原过程的研究深入，科学家们也许会找到更有效率的催化剂，进一步提升反应的稳定性及速率。随着科技的进步，这一过程的商业化生产也将成为可能，那么，我们将迎来一个如何更有效利用二氧化碳的全新时代？
