科学家们研制出了一种人工树叶，可以利用阳光将二氧化碳转化为碳氢化合物，为化石燃料提供了一种可持续的替代品。

人工叶片上附着了微小的铜“纳米花”，用以生产清洁燃料和重要化学品，这些是现代能源和制造业的支柱。

剑桥大学和加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种实用的方法，仅利用阳光就可以生产出烃类（由碳和氢组成的分子）。

他们的设备集成了由钙钛矿（一种高效太阳能电池材料）制成的吸光“叶片”和铜纳米花催化剂，可将二氧化碳转化为有价值的分子。与大多数只能将二氧化碳转化为单碳分子的金属催化剂不同，铜纳米花催化剂可促进生成更复杂的含两个碳原子的烃类，如乙烷和乙烯——这是液体燃料、化学品和塑料的关键组成部分。

化石燃料的清洁替代品

目前几乎所有的烃类都来自化石燃料，但剑桥-伯克利团队开发出的方法可利用二氧化碳、水和甘油（一种常见的有机化合物）来制造清洁的化学品和燃料，且不会产生任何额外的碳排放。相关研究成果发表于《自然·催化》杂志。

该研究建立在团队早期关于人工树叶的研究基础上，人工树叶的灵感来源于光合作用：植物通过光合作用将阳光转化为食物。“我们想超越基本的二氧化碳还原，生产出更复杂的碳氢化合物，但这需要更多的能量，”该研究的主要作者、剑桥大学尤素福·哈米德化学系的维尔吉尔·安德烈博士说。

安德烈（Andrei）是剑桥大学圣约翰学院的研究员，他在加利福尼亚大学伯克利分校杨培东（Peidong Yang）教授的实验室进行了这项工作，这是温顿剑桥-卡弗里能源纳米科学研究所（Winton Cambridge-Kavli ENSI）交流项目的一部分。

采用纳米线电极提高效率

通过将钙钛矿光吸收器与铜纳米花催化剂相结合，研究团队成功制造出了更复杂的烃类。为了提高效率并克服分解水的能量限制，研究团队又添加了可以氧化甘油的硅纳米线电极。这一全新平台制造烃类的效率要高得多——是早期分解水和二氧化碳系统的 200 倍。

该反应不仅提高了二氧化碳减排性能，还产生了甘油酸、乳酸和甲酸盐等高价值化学品，这些化学品在制药、化妆品和化学合成领域都有应用。

优化流程以提高效率

安德烈说：“甘油通常被视为废物，但在这里，它在提高反应速率方面发挥着至关重要的作用。这证明，我们可以将我们的平台应用于广泛的化学过程，而不仅仅是废物转化。通过精心设计催化剂的表面积，我们可以影响所生成的产品，使该过程更具选择性。”

尽管目前二氧化碳转化为碳氢化合物的选择性仍保持在10%左右，但研究人员对通过改进催化剂设计来提高效率持乐观态度。该团队设想将其平台应用于更复杂的有机反应中，为可持续化学产品的创新开辟道路。随着研究的不断改进，该研究成果可能会加速向循环、碳中和经济的转型。

安德烈（Andrei）说：“这个项目充分证明了全球研究合作伙伴关系如何能够推动产生重大科学进展。通过结合剑桥大学和伯克利分校的专业知识，我们开发出了一个系统，该系统可能会重塑我们可持续生产燃料和有价值化学品的方式。”

参考文献：《钙钛矿驱动的二氧化碳太阳能C2烃合成》，作者：维尔吉尔·安德烈、尹焕乐、林嘉安、约书亚·李、于姗、林忠铨、史蒂夫·谢尔顿、埃尔温·莱斯纳、杨培东，发表于2025年2月3日《自然·催化》期刊。DOI：10.1038/s41929-025-01292-y

本研究部分得到了温顿可持续物理学项目、圣约翰学院、美国能源部、欧洲研究理事会以及英国研究与创新局（UKRI）的支持。