將清潔的太陽能轉(zhuǎn)化為可儲存、可運(yùn)輸?shù)娜剂?，是?dāng)今科學(xué)界“圣杯”式的難題?？茖W(xué)家曾提出“液態(tài)陽光”(即“太陽燃料”)的構(gòu)想，以應(yīng)對未來化石燃料枯竭的能源需求和氣候變化。10月16日《自然—催化》發(fā)表的一篇論文顯示，中科院大連化學(xué)物理所研究員、中科院院士李燦團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種可與自然光合作用催化劑活性相媲美的單核錳催化劑，為實(shí)現(xiàn)“液態(tài)陽光”構(gòu)想邁出關(guān)鍵一步。

光合作用中，植物利用太陽能將水裂解釋放氧氣、為生物合成提供電子和質(zhì)子，并進(jìn)行光合反應(yīng)，這是人類夢寐以求的能源轉(zhuǎn)化過程。不久前，《焦耳》雜志發(fā)表了中國科學(xué)院院長、中科院院士白春禮等作者的文章，提出“液態(tài)陽光”的倡議，指出實(shí)現(xiàn)液態(tài)陽光關(guān)鍵在于將太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可儲存、高能量的化學(xué)燃料，這應(yīng)該引起科學(xué)界重視。其中，水氧化是自然光合作用和人工光合成的原初反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“液態(tài)陽光”的關(guān)鍵在于開發(fā)高效穩(wěn)定的水氧化催化劑。

李燦告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，自然光合作用水氧化反應(yīng)的催化劑是一個(gè)多核錳的化合物，由四個(gè)錳離子和一個(gè)鈣離子及多個(gè)氧原子組成，催化活性為每秒鐘發(fā)生化學(xué)反應(yīng)次數(shù)(TOF)為100至400次之間。

長期以來，科學(xué)家沿著這一思路尋找模擬自然光合作用的多核錳催化劑。李燦團(tuán)隊(duì)也不例外。“一開始，我們并沒有預(yù)測到單核錳催化劑會(huì)具有如此高的催化活性。”李燦坦言。

研究人員將含錳的氧化物納米顆粒固定在作為基體的氮化石墨烯上，在基體上逐步分散納米顆粒，并測量其在不同分散程度下的催化活性。他們意外地發(fā)現(xiàn)，納米顆粒尺寸越小，水氧化活性越高。

“按照這個(gè)思路，我們繼續(xù)分散納米顆粒，直至到單核尺度，其水氧化活性突躍上升到每秒鐘發(fā)生化學(xué)反應(yīng)200次以上。”李燦指出。這是目前報(bào)道的多相催化劑水氧化最高的活性，也達(dá)到了自然光合作用水氧化多核錳催化劑的水平。

李燦同時(shí)表示：“這是我們在長達(dá)18年里圍繞人工光合成關(guān)鍵科學(xué)問題的攻關(guān)取得的階段性成果。”自2001年起，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)致力于人工光合成太陽燃料研究，在太陽能光催化、光電催化和電催化分解水制氫，以及二氧化碳加氫制甲醇等方面取得了進(jìn)展，研發(fā)了系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)專利技術(shù)。今年7月，該團(tuán)隊(duì)在蘭州新區(qū)成功啟動(dòng)千噸級液態(tài)太陽燃料生產(chǎn)示范工程，標(biāo)志著我國真正意義上開始了大規(guī)模液態(tài)太陽燃料生產(chǎn)過程的實(shí)踐。

李燦說，未來，此次發(fā)現(xiàn)的單核錳催化劑有望在該示范工程中應(yīng)用。

相關(guān)論文信息：DOI: 10.1038/s41929-018-0158-6