Only Perception: 陽光將二氧化碳轉變成甲烷

2009-03-07

陽光將二氧化碳轉變成甲烷

Sunlight turns carbon dioxide to methane
http://www.physorg.com/news155471367.html

March 5th, 2009

根據賓州州立大學的研究者表示，使用二氧化鈦（titania）奈米管與太陽能，雙重催化劑也許是有效將二氧化碳與水蒸汽轉變成甲烷（methane）與其他碳氫化合物的關鍵。

燃燒石化燃料如石油、天然氣與碳，將釋出大量的二氧化碳，一種溫室氣體，到大氣中。並非促成全球的氣候變遷，相反的，產生器能將二氧化碳轉換成各種碳氫化合物，不過只有當使用太陽能時，這才具有意義。

"藉由將二氧化碳轉換成包含高能量的然料，來回收二氧化碳 -- 適合用於現存的、基於碳氫化合物的能源基礎建設 -- 是一種具有吸引力的選擇，然而，這是一種能源密集的製程，只有當某種再生能源能為此目的而使用，這樣的製程才有用，" 研究者在最近一期 Nano Letters 中表示。

Craig A. Grimes，電機工程教授，以及他的團隊使用二氧化鈦奈米管，那摻有氮，並塗布薄薄的一層銅與鉑，以便將二氧化碳以及水蒸汽的混合物轉換成甲烷。利用戶外的可見光，他們所報告的甲烷產量比先前所發表的，在實驗室環境中利用強烈的紫外線暴露的嘗試，要高出 20 倍。

將水與二氧化碳變成甲烷的化學轉換在紙上很簡單 -- 一個二氧化碳分子以及二個水分子變成一個甲烷分子與二個氧分子。然而，為了要使這種反應發生，每一個分子至少需要 8 個光子。

"利用光催化劑（photocatalysis，光觸媒）將二氧化碳與水轉換成甲烷是種有魅力的點子，但以歷史觀點來說，這些企圖的轉換率都很低，" Grimes 說，他也是賓州州立大學的 Materials Research Institute 的一位成員。"為了得到顯著的碳氫化合物反應產量需要一種有效的光催化劑，能將日光中的能量做最充分的運用。"

該團隊，那包括 Oomman K. Varghese 與 Maggie Paulose，Materials Research Institute 的研究科學家，以及 Thomas J. LaTempa，電機工程系畢業生，在一個包含水蒸汽與二氧化碳混合物的腔室中，利用自然的陽光進行測試。他們將這種以共催化劑（co-catalyst）敏化的奈米管暴露在日光中達 2.5 到 3.5 個小時，此時太陽在暴露的每一平方公分中，產生 102 到 75 milliwatts。

研究者發現，在攝氏 600 度退火（annealed）並塗布銅的奈米管產生最大量的碳氫化合物，而塗布鉑的相同奈米管，事實上只產生更多氫，而（只）塗布銅的奈米管產生更多一氧化碳。氫與一氧化碳都是過程中的正常中間產物，同時也是合成氣（syngas）的基石，可用於製造液態碳氫燃料。

當該團隊使用一種奈米管陣列，一半塗布銅而另一半塗布鉑，他們強化了碳氫化合物的產生並使一氧化碳消失。這些雙重催化劑奈米管的產量為每小時，每平方公分 163 ppm。沒有銅或鉑催化劑的二氧化鈦奈米管只有 10 ppm。

"如果我們使奈米管陣列的表面一致塗布銅氧化物，我認為我們能大幅增進產量，" Grimes 說。

Grimes 亦發現，使二氧化鈦管的長度變長（其他應用藉此增加產量），並不會改善結果。

"我們認為，所噴濺之催化劑奈米粒子的分布，是在奈米管的頂部表面而非內部，而這就是為何增加長度並不能改善反應的緣故，" Grimes 說。

雖然這些實驗全都以摻氮的二氧化鈦奈米管完成，不過研究者下結論表示，氮並沒有將二氧化碳加強轉換為碳氫化合物。然而，這些催化劑確實將一種僅能使用紫外線中能量的反應，轉移到另一種使用可見光波長的反應中，也因此利用太陽能中更多能量。

研究者現正研究將他們的批次反應裝置轉變成連續流動的設計，他們相信那將顯著增加產量。

研究者已對這項研究申請了一項臨時性專利。

※ 相關報導：

＊ High-Rate Solar Photocatalytic Conversion of CO2 and Water Vapor to Hydrocarbon Fuels
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl803258p