人工光合作用把二氧化碳變石油能源

超電勢：二氧化碳轉化的瓶頸

人工光合作用的大規模應用遇到一個致命的瓶頸--巨大的超電勢。制造燃料的第一步--將二氧化碳轉變為一氧化碳會耗費大量能量，需要大量超過平衡電勢的電力才能使第一個反應進行，這也就是所謂的“超電勢”。與得到的燃料所提供的能量相比，生產燃料所需的能量更多，得不償失。文章的作者之一，伊利諾伊大學化工博士，現二氧化碳材料公司的研究人員朱薇補充說，以前的研究顯示，當二氧化碳和水反應生成一氧化碳或者甲酸時，首先是要生成一種帶負電的二氧化碳中間體，再由這種中間體轉換為產物。生成這種中間體需要很高的能量，這也是為什么二氧化碳的轉化一直需要很高的電能的原因。

超電勢就是實際所需的電勢和理論計算所需的電勢之差。超電勢越高，表示完成電化學反應的阻力越大。所以，對于任何電化學反應來說，超電勢越低越好。“當超電勢高，電能的利用率就越低，因為有一部分電能要去對抗超電勢，只有一部分能量能夠轉化為產物儲存起來。電能的大小和電勢，材料的導電性相關，當我們能減少超電勢的時候，電能就會相應減少。”朱薇說。

“第一步我們構建了一個電化學電池，用離子溶劑當電解質和助催化劑。”朱薇介紹，“以前一直有很多人在研究這個方面，但是他們都不可能達到我們所得到的極低的超電勢。有人用水為基本的電解質溶液，這樣也可以減少超電勢，但是水對二氧化碳的溶解度很低，并不利于二氧化碳的轉化。”Science上刊登的這個研究結果提供了一個有效地解決這個問題的方法。為了降低所需的電能，他們創造了這個以離子溶劑為電解質和催化劑的電化學系統。在這個系統中，水在正極上分解并釋放出氫離子，氫離子滲透并且負極上的二氧化碳反應，產生一氧化碳。利用這個系統，二氧化碳只需要非常低的電能就可以轉化為合成氣體，為下一步的有機化合物的合成提供很大的便利。其中，合成氣體的生產效率可以達到80%以上。

“我們所用的離子溶劑對二氧化碳的溶解度很高，所以十分利于二氧化碳的轉化。同時，我們的研究，不僅提供了可信的實驗結果，同時，也提出了新的得出這種實驗結果背后隱藏的理論。”朱薇介紹，利用他們的理論和系統，超電勢可以降到離平衡電勢只差0.17V，而前人的研究超電勢可以達到1.5V。