Lightway

- 點(diǎn)亮未來(lái) -

2020年7月20日，雜志《Nature Climate Change》上發(fā)表了一篇關(guān)于北極熊的研究報(bào)告《Fasting season length sets temporal limits for global polar bear persistence》，并迅速登上各大熱搜頭條。報(bào)告指出，氣候變暖導(dǎo)致北極海冰消融，使得北極熊的生存環(huán)境遭到極大破壞，北極熊被迫前往海岸地區(qū)。而在那里，北極熊很難找到食物和哺育幼崽，這將使北極熊的數(shù)量大幅下降。在部分地區(qū)，北極熊已經(jīng)陷入數(shù)量螺旋式下降的惡性循環(huán)。

氣候變暖主要的原因是溫室效應(yīng)的不斷累積，大氣中的二氧化碳等溫室氣體就像一層厚厚的玻璃，把地球變成了一個(gè)大暖房。除非人類采取更多措施應(yīng)對(duì)氣候變化，否則這一物種或?qū)⒃?/span>2100年左右?guī)缀跸А?/span>

光催化CO₂還原

如何實(shí)現(xiàn)CO₂的捕捉、儲(chǔ)存和利用，以及如何降低地球大氣中的碳含量，成為了科學(xué)家研究的焦點(diǎn)。光催化方法還原CO₂，可以在比較溫和的光照反應(yīng)條件一步直接獲得一氧化碳/碳?xì)浠衔锏然瘜W(xué)品及燃料，具有極大的應(yīng)用前景。

光反應(yīng)量子產(chǎn)率（PQY）為光催化過(guò)程的評(píng)價(jià)及催化劑的研究提供了重要的參考指標(biāo)，PQY越高，說(shuō)明光反應(yīng)對(duì)光子的利用率越高，催化劑的性能也越好。

Ru-Re超分子復(fù)合物光催化劑體系CO₂還原反應(yīng)

釕-錸（Ru-Re）超分子復(fù)合物是近年來(lái)研究比較熱門的光催化劑，可催化太陽(yáng)光照下CO₂還原為CO的光化學(xué)反應(yīng)。

圖1. Ru-Re超分子復(fù)合物催化下光反應(yīng)示意圖

光反應(yīng)量子產(chǎn)率測(cè)試

CO₂還原過(guò)程的光反應(yīng)量子產(chǎn)率使用島津公司新發(fā)布的Lightway PQY-01光反應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中照射光波長(zhǎng)為470nm，強(qiáng)度為17 × 10-9愛因斯坦/秒。PQY-01測(cè)試得到吸收光譜及吸收的光子數(shù)。CO₂還原反應(yīng)生成的CO使用氣相色譜儀進(jìn)行定量。圖2顯示了CO生成量和吸收光子數(shù)相關(guān)的直線。直線的斜率即為反應(yīng)的量子產(chǎn)率，計(jì)算得到CO生成的量子產(chǎn)率為40%。

圖2. 一氧化碳生成量 vs 吸收光子數(shù)

中間體追蹤

光反應(yīng)中間體的追蹤對(duì)于研究反應(yīng)機(jī)理，開發(fā)高效的催化劑體系十分有用。PQY-01可以直接檢測(cè)到在Ru-Re超分子復(fù)合物催化下二氧化碳還原反應(yīng)的中間產(chǎn)物（圖1）。從圖3和圖4可見，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在550nm附近出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，此峰為光反應(yīng)中間產(chǎn)物的吸收光譜。經(jīng)過(guò)與文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)中間產(chǎn)物為單電子還原產(chǎn)物，為Ru-Re超分子復(fù)合物的光電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)所生成。

圖3. Ru-Re超分子復(fù)合物光催化反應(yīng)的光譜測(cè)量結(jié)果

圖4 Ru-Re超分子復(fù)合物光催化劑反應(yīng)的微分光譜結(jié)果

如果這類Ru-Re催化劑能夠投入實(shí)際應(yīng)用，那么就如同植物能通過(guò)光合作用把二氧化碳合成為淀粉和蔗糖等碳水化合物一樣，人類就可以通過(guò)效法自然的人工光合成，緩解溫室效應(yīng)，應(yīng)對(duì)未來(lái)能源危機(jī)。