通过结合可见光和电化学，研究人员提高了二氧化碳转化为有价值产品的能力，并偶然发现了一个惊人的发现。研究小组发现，可见光显著改善了一种重要的化学属性，即选择性，这不仅为二氧化碳转化开辟了新的途径，也为催化研究和化学制造中使用的许多其他化学反应开辟了新的途径。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学教授Prashant Jain说，化学家将二氧化碳回收为有价值的产品的一种方法是通过一种叫做电化学还原的过程，在这个过程中，一股二氧化碳气体通过电解池，将二氧化碳和水分解成一氧化碳和氢气，然后可以用来制造新的理想的碳氢化合物产品。
“然而，反应是缓慢的，这个过程需要包含大量昂贵的催化剂材料，如金或铜的大电极，所以我们的实验室一直在寻找方法来加快这个过程，这样就需要更少的催化剂材料，使它成为替代燃料工业更可行的选择，”Jain说。
这项由Jain和前研究生Francis Alcorn领导的新研究发表在《美国国家科学院院刊》上，详细介绍了一种方法，该方法将可见光的作用与涂有金铜合金纳米颗粒的电极结合起来，以更高的速率诱导二氧化碳的减少，并允许比现有方法更可控的选择性。
Jain说：“这些新的电极就像微小的天线，在可见光范围内寻找光子，并将它们与化学反应途径相结合。”
在实验室中，电极浸泡在二氧化碳、水和电解质的溶液中，以提高导电性。然后，研究小组在电极上施加电压，同时用可见光激光照射其表面。由此产生的反应迅速产生一氧化碳——来自二氧化碳的分裂——和氢气，来自水分子的分裂。
“当使用可见光时，我们非常兴奋地看到生产率的提高。然而，我们并没有期望发现使用可见光会对化学选择性产生重大影响，这是这里的重要进展，”Jain说。
在催化中，化学选择性是指化学反应倾向于或针对一种途径或分子而不是另一种类型的能力。在这项研究中，研究人员发现，通过使用光，可以选择性地增强形成氢气的水分解反应。这使得研究小组在西北大学化学教授乔治·沙茨和博士后研究员萨贾尔·库马尔·吉里的帮助下进行了进一步的实验，并对他们的结果进行了建模。
Jain说：“结果表明，可见光提供了一个独特的机会来调整一氧化碳与氢气的比例，这是工业合成气体生产的关键因素。”“这一发现为更可持续、更高效的能源未来铺平了道路。”
不过，Jain说，利用光来促进化学反应并非没有争议。因为在化学反应中加入光也会增加热量，所以团队必须进行仔细的测量和控制实验，以确定是否仅仅是光的热效应导致了更快的反应速率和选择性。
“我们在光激发产生的完全相同的温度下进行了有激光和没有激光的实验，并排除了加热的原因，”Jain说。“相反，由光激发引起的电场和定向电荷流是提高生产力和增加水分解选择性的原因，这在我们的合作者的模拟中得到了体现。”
这支队伍在继续前进的过程中仍然面临着一些挑战。例如，随着时间的推移，纳米颗粒电极的重复使用将不可避免地导致降解，特别是在工业应用所需的大规模场景下。此外，整个过程的能源效率和光管理将需要进一步的研究和改进。
Jain说：“我们在这项研究中发现的是对电化学和催化的全新思考方式。”“通过使用光，我们提高了这种催化剂的活性，但令人惊讶的是，我们也改变了选择性。这将开辟新的化学途径，制造不同的产品。为什么只停留在二氧化碳的减少和水的分解？这可以应用于许多其他对化学工业很重要的催化反应。”
