將清潔的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸?shù)娜剂希钱?dāng)今科學(xué)界“圣杯”式的難題�？茖W(xué)家曾提出“液態(tài)陽(yáng)光”（即“太陽(yáng)燃料”）的構(gòu)想，以應(yīng)對(duì)未來(lái)化石燃料枯竭的能源需求和氣候變化。10月16日《自然—催化》發(fā)表的一篇論文顯示，中科院大連化學(xué)物理所研究員、中科院院士李燦團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種可與自然光合作用催化劑活性相媲美的單核錳催化劑，為實(shí)現(xiàn)“液態(tài)陽(yáng)光”構(gòu)想邁出關(guān)鍵一步。
光合作用中，植物利用太陽(yáng)能將水裂解釋放氧氣、為生物合成提供電子和質(zhì)子，并進(jìn)行光合反應(yīng)，這是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的能源轉(zhuǎn)化過(guò)程。不久前，《焦耳》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)、中科院院士白春禮等作者的文章，提出“液態(tài)陽(yáng)光”的倡議，指出實(shí)現(xiàn)液態(tài)陽(yáng)光關(guān)鍵在于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可儲(chǔ)存、高能量的化學(xué)燃料，這應(yīng)該引起科學(xué)界重視。其中，水氧化是自然光合作用和人工光合成的原初反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“液態(tài)陽(yáng)光”的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的水氧化催化劑。
李燦告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，自然光合作用水氧化反應(yīng)的催化劑是一個(gè)多核錳的化合物，由四個(gè)錳離子和一個(gè)鈣離子及多個(gè)氧原子組成，催化活性為每秒鐘發(fā)生化學(xué)反應(yīng)次數(shù)（TOF）為100至400次之間。
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家沿著這一思路尋找模擬自然光合作用的多核錳催化劑。李燦團(tuán)隊(duì)也不例外。“一開(kāi)始，我們并沒(méi)有預(yù)測(cè)到單核錳催化劑會(huì)具有如此高的催化活性。”李燦坦言。
研究人員將含錳的氧化物納米顆粒固定在作為基體的氮化石墨烯上，在基體上逐步分散納米顆粒，并測(cè)量其在不同分散程度下的催化活性。他們意外地發(fā)現(xiàn)，納米顆粒尺寸越小，水氧化活性越高。
“按照這個(gè)思路，我們繼續(xù)分散納米顆粒，直至到單核尺度，其水氧化活性突躍上升到每秒鐘發(fā)生化學(xué)反應(yīng)200次以上。”李燦指出。這是目前報(bào)道的多相催化劑水氧化最高的活性，也達(dá)到了自然光合作用水氧化多核錳催化劑的水平。
李燦同時(shí)表示：“這是我們?cè)陂L(zhǎng)達(dá)18年里圍繞人工光合成關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的攻關(guān)取得的階段性成果。”自2001年起，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)致力于人工光合成太陽(yáng)燃料研究，在太陽(yáng)能光催化、光電催化和電催化分解水制氫，以及二氧化碳加氫制甲醇等方面取得了進(jìn)展，研發(fā)了系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)。今年7月，該團(tuán)隊(duì)在蘭州新區(qū)成功啟動(dòng)千噸級(jí)液態(tài)太陽(yáng)燃料生產(chǎn)示范工程，標(biāo)志著我國(guó)真正意義上開(kāi)始了大規(guī)模液態(tài)太陽(yáng)燃料生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)踐。
李燦說(shuō)，未來(lái)，此次發(fā)現(xiàn)的單核錳催化劑有望在該示范工程中應(yīng)用。
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