Language
Country/Area
No result found
你知道嗎？古老科學家如何預測二氧化碳能變身為甲烷的未來？
在環保和可再生能源日益重要的今天，科學界對於如何利用二氧化碳進行化學轉化的研究愈發關注。其中，光電化學還原二氧化碳的技術成為了研究熱點，它將二氧化碳轉化為不同的有機分子，如一氧化碳或甲烷，從而為可再生能源的利用提供了新思路。
這一過程需要催化劑，其中大部分是半導體材料。義大利光化學家賈科莫·路易吉·恰米契安（Giacomo Luigi Ciamician）早在1912年便理論上提出，利用合適的催化劑，應能將水與二氧化碳的混合物轉化為氧氣和甲烷。
這一創新技術不僅能有效減少大氣中的二氧化碳，同時還能生成在工業上有用的化學產品。當使用的光源為太陽光時，這一化學過程也成為了將可再生能源與二氧化碳減少結合的潛在路徑。
熱力學的考量
從熱力學的角度看，二氧化碳還原到各種產物的熱力學勢能在不同的情況下有所不同。單電子還原二氧化碳至CO2●−自由基所需的熱力學勢能約為E° = -1.90 V。這個高負的熱力學不利性意味著二氧化碳的還原過程需要克服相當大的能量障礙。
由於線性分子與弯曲自由基陰離子之間的重組能量較大，二氧化碳的單電子還原過程在熱力學上受到限制。
動力學挑戰
雖然在熱力學上，質子耦合多電子還原二氧化碳比單電子還原更為容易，但從動力學角度來看，管理多個質子耦合的多電子過程卻是巨大的挑戰，這也導致了二氧化碳電化學異質還原到碳氫化合物和醇的過電位上升。
除了要克服高過電位，半導體材料的反應速率也非常緩慢，進一步限制了該技術的應用潛力。然而，這些系統在可持續性及穩定性方面有一定優勢。因為在此過程中除了光能外，幾乎無任何物質被消耗，且半導體在照明下相當穩定。
溶劑效應的影響
光還原二氧化碳可在水相和非水相介質中進行，兩者之間的主要區別在於二氧化碳的溶解度。水中的二氧化碳溶解度約為35 mM，而在甲醇和乙腈中則可達到210 mM。
水相中的光還原
根據研究，使用p-GaP光陰極在水相中進行二氧化碳的光還原已經證明能生成甲酸等產物。不同的p型半導體如p-GaAs、p-InP等也在此過程中展現出良好的性能，但依賴於催化劑的選擇和系統的設計。
非水相中的光還原
在非水相中，由於二氧化碳的溶解度更高，因此可進行更有效率的電化學還原。研究發現，在這些介質中，CO的產量更具優勢，並且在競爭性氫生成的環境下可獲得良好的還原效果。
這些技術的發展不僅展示了科學家們對於有效利用二氧化碳的深入瞭解，還揭示了光和電化學在能源轉化中的潛力。
雖然目前的技術還存在著大量挑戰，但科學家們的不懈努力，或許會在不久的將來使二氧化碳轉化為有用能源的夢想變成現實。那麼，未來我們是否能以更環保的方法駕馭能源和資源的使用呢？
