光合電池出世，見證石油時代終結？

編譯：張子蔚

美國伊利諾斯大學芝加哥分校研究人員設計了一款利用太陽能將大氣中的二氧化碳轉化成碳氫化合物燃料的新型太陽能電池，並成功發現還原二氧化碳的高效催化劑，使這款新型太陽能電池對碳的轉化過程能同時做到成本低且效率高。

這種技術既能從大氣中除去大量的碳，又能高效產出能量密度較高的燃料，一次就可以解決產能和除碳這兩個重要的環保議題，有望加速化石燃料的淘汰。

該研究獲得美國國家科學基金會及美國能源部的資助，以及已經在7月29日出版的美國國家科學基金會科學期刊上發表, 並已經提交臨時專利的申請。

不同於傳統太陽能電池把陽光轉化為電力儲存在電池中的工作原理，新型的太陽能電池則更像植物，它利用兩個約18平方厘米大小的硅三聯光伏電池作為「人工樹葉」來捕獲陽光，以每平方米100瓦強度的光激活電池後，電池的陰極會產生氫氣和一氧化碳氣泡，而陽極產生氧氣和氫離子，最後通過「人工樹葉」產出氫氣和一氧化碳的合成氣。

這種合成氣可以直接燃燒，也可以轉化為柴油或其他烴燃料，而這整個過程僅需燃燒一加侖汽油的成本。

美國伊利諾斯大學芝加哥分校機械與工業設計助理教授阿明薩利希-柯金 (Amin Salehi-Khojin) 表示：「新太陽能電池不再是光伏電池，而是「光合作用」電池。與化石燃料產生能源進而產生溫室氣體這一不可持續的單一路徑不同的是，新型太陽能電池現在已經可以通過陽光循環利用大氣中的碳。」

這個轉換二氧化碳成碳的可燃形式的化學反應被稱為還原反應，多年來，工程師一直在尋找能還原二氧化碳的高效催化劑，但一直以來的還原過程還是只能依靠白銀一類的貴金屬或是反應效率很低的催化劑。

阿明薩利希-柯金與他的團隊一直致力於研究一種稱為過渡金屬硫化物（TMDCs）的納米結構化合物，並將其作為催化劑，搭配一種非常規離子液作為電解液，製成一種兩室三電極的電化學電池。

通過反覆研究與實驗，研究人員發現過渡金屬硫化物中最好的催化劑是二硒化鎢。該校博士後研究員穆罕默德·阿薩迪(Mohammad Asadi)表示：「新催化劑更活躍、能力更強，更容易打破二氧化碳的化學鍵。除此之外，新催化劑比貴金屬催化劑速度快1000倍，而價格則是原成本的二十分之一。」

資助這項研究的美國國家科學基金會（NSF）項目主管羅伯特·麥凱布(Robert McCabe)說，這些成果很好地融合了實驗和計算研究，利用所得新知識巧妙結合化學設計，在有重大挑戰性的催化劑研究領域取得了巨大進步。

阿明薩利希-柯金還表示：「這一技術適應性很強，不僅能大規模使用於太陽能電廠，還可以小規模使用。將來甚至還可以用在大氣主要成分是二氧化碳的火星上。如果能在火星上找到水，也許有一天它甚至能在火星上提供電力。」

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