像树叶一样-一种新的人工光合作用方法，可以直接从空气中捕获二氧化碳并将其转化为燃料

Argonne和SLAC将开发人造光合作用方法，以实现空气中直接捕获CO2的同时，通过将CO2转化为燃料和其他有用化学物质来扩展能源。

在该项目中，研究人员将探索一种捕获CO2并将其转化为燃料和有用化学物质的分子光反应器。（图片由Argonne国家实验室提供。

叶子看起来很容易，但是从空气中捕获和利用二氧化碳（CO2）对科学家来说是一个具有挑战性的过程。

为了人为地捕获二氧化碳，化学家们开发了使用与二氧化碳反应非常好的化学物质从空气中“擦洗”二氧化碳的方法。但是即使将其捕获，也通常很难释放并用于人工光合作用。

美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室和SLAC国家加速器实验室将在三年内从美国能源部获得450万美元，用于直接从空气中捕获二氧化碳并将其通过人工光合作用转化为有用产品的研究。

“我们很高兴能有机会做新科学并应对这一挑战。开辟一种新的，对环境无害的发电方式将是极大的满足。这方面的重大进步将是我职业生涯的重头戏。”— Ksenija Glusac，Argonne化学家，化学科学与工程学事业部太阳能转化小组

二氧化碳的捕集涉及捕集气体，将其运输到存储地点并进行隔离。Argonne和SLAC将共同致力于开发光化学方法，这些方法可直接从空气中捕获CO2，并将这种捕获与光化学转化为燃料和增值化学品相结合。

他们的目标是通过将CO2转化为燃料和其他增值化学品（例如甲醇和丙烯酸衍生物）来改善环境并扩大能源，化学工业将这两种物质用于制造聚合物，包括树脂，塑料和胶水。甲醇也可以用作发电的燃料。

Argonne化学科学与工程研究部门太阳能转化小组的化学家Ksenija Glusac将领导Argonne作为该小组的主要研究人员。

自2000年以来，Glusac一直从事人工光合作用领域，但将CO2捕获与光合作用相结合是她和她的团队的新方向。

“我们很高兴能有机会从事新科学并应对这一挑战，”同时也是伊利诺伊大学芝加哥大学化学副教授的格卢萨克说。“开辟一种新的，对环境无害的发电方式将令人非常满意。”

这种光反应器将由分子乐高积木构成，每个分子乐高积木被设计用来执行某些功能：吸收和收集阳光的发色团，从大气中捕获CO2的分子以及将CO2转化为增值化学品的催化剂。

Glusac的团队已经为人工光合作用领域做出了重大贡献。经过多年研究，物质与电磁辐射之间的相互作用，他们扩大了科学家对材料吸收光以及将光转化为能量的理解。

Glusac说：“当前的项目建立在我们丰富的经验的基础上，为将二氧化碳捕获与光合作用结合起来提供了机会。”

Glusac和她的团队计划使用Argonne的高级光子源（APS），SLAC的斯坦福同步加速辐射光源（SSRL）和SLAC的Linac相干光源（LCLS）—都是DOE科学办公室的用户设施—收集X射线吸收和散射测量以更好地了解CO2捕获和光转化机理。

APS的高能存储环产生超强的硬X射线束，用于几乎所有科学领域的研究，而SSRL提供由在存储环中循环的电子产生的X射线，紫外线，可见光和红外线范围内的电磁辐射。LCLS对工作中的原子和分子进行X射线快照，提供超快时标的原子分辨率详细信息，以揭示材料，技术和生物的基本过程。

Glusac和她的团队将从称为MOF（金属有机框架）的超分子结构样本中进行这些测量，这些样本可以吸收和收集太阳光，以及承载两种催化剂的节点：可以从空气中捕集CO2并将其还原为二氧化碳的还原催化剂。可将水转化为氧气的增值化学品和氧化催化剂。

Glusac说：“我们的方法旨在将二氧化碳捕获和人工光合作用结合为一个单一的过程，称为光反应捕获。”“我们将探索分子光反应器，它们既可以洗涤二氧化碳，又可以利用阳光将其转化为有用的化学物质。我们对此充满希望。”

阿贡（Argonne）的实验室计算资源中心将用于进行二氧化碳捕获和转化机制的计算研究。

除了Glusac之外，Argonne的团队还包括Lin Chen，David Kaphan，Karen Mulfort，Alex Martinson，David Tiede和Peter Zapol。来自SLAC的Amy Cordones-Hahn使小组更趋完善。

这些项目是通过竞争性同行评审选出的，并得到了美国能源部科学办公室的支持。