超電勢(shì)：二氧化碳轉(zhuǎn)化的瓶頸

人工光合作用的大規(guī)模應(yīng)用遇到一個(gè)致命的瓶頸--巨大的超電勢(shì)。制造燃料的第一步--將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸紩?huì)耗費(fèi)大量能量，需要大量超過(guò)平衡電勢(shì)的電力才能使第一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行，這也就是所謂的“超電勢(shì)”。與得到的燃料所提供的能量相比，生產(chǎn)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(xué)化工博士，現(xiàn)二氧化碳材料公司的研究人員朱薇補(bǔ)充說(shuō)，以前的研究顯示，當(dāng)二氧化碳和水反應(yīng)生成一氧化碳或者甲酸時(shí)，首先是要生成一種帶負(fù)電的二氧化碳中間體，再由這種中間體轉(zhuǎn)換為產(chǎn)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(zhuǎn)化一直需要很高的電能的原因。

超電勢(shì)就是實(shí)際所需的電勢(shì)和理論計(jì)算所需的電勢(shì)之差。超電勢(shì)越高，表示完成電化學(xué)反應(yīng)的阻力越大。所以，對(duì)于任何電化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，超電勢(shì)越低越好?！爱?dāng)超電勢(shì)高，電能的利用率就越低，因?yàn)橛幸徊糠蛛娔芤?duì)抗超電勢(shì)，只有一部分能量能夠轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物儲(chǔ)存起來(lái)。電能的大小和電勢(shì)，材料的導(dǎo)電性相關(guān)，當(dāng)我們能減少超電勢(shì)的時(shí)候，電能就會(huì)相應(yīng)減少。”朱薇說(shuō)。

“第一步我們構(gòu)建了一個(gè)電化學(xué)電池，用離子溶劑當(dāng)電解質(zhì)和助催化劑。”朱薇介紹，“以前一直有很多人在研究這個(gè)方面，但是他們都不可能達(dá)到我們所得到的極低的超電勢(shì)。有人用水為基本的電解質(zhì)溶液，這樣也可以減少超電勢(shì)，但是水對(duì)二氧化碳的溶解度很低，并不利于二氧化碳的轉(zhuǎn)化?！盨cience上刊登的這個(gè)研究結(jié)果提供了一個(gè)有效地解決這個(gè)問(wèn)題的方法。為了降低所需的電能，他們創(chuàng)造了這個(gè)以離子溶劑為電解質(zhì)和催化劑的電化學(xué)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，水在正極上分解并釋放出氫離子，氫離子滲透并且負(fù)極上的二氧化碳反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳。利用這個(gè)系統(tǒng)，二氧化碳只需要非常低的電能就可以轉(zhuǎn)化為合成氣體，為下一步的有機(jī)化合物的合成提供很大的便利。其中，合成氣體的生產(chǎn)效率可以達(dá)到80%以上。

“我們所用的離子溶劑對(duì)二氧化碳的溶解度很高，所以十分利于二氧化碳的轉(zhuǎn)化。同時(shí)，我們的研究，不僅提供了可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，也提出了新的得出這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后隱藏的理論?！敝燹苯榻B，利用他們的理論和系統(tǒng)，超電勢(shì)可以降到離平衡電勢(shì)只差0.17V，而前人的研究超電勢(shì)可以達(dá)到1.5V。