当前，二氧化碳水平已达历史最高，工业、交通运输和能源生产持续向大气排放二氧化碳，对碳捕获解决方案的需求愈发迫切。捕获二氧化碳只是难题的一部分，将其转化为有用物质则是另一大挑战。近日，美国能源部布鲁克海文国家实验室的一组化学家取得新突破，开发出一种光动力方法，可将二氧化碳转化为有价值的工业化学品——甲酸盐。

该研究描述了一种利用光触发电子和质子转移的钌基催化剂。此反应能将二氧化碳转化为甲酸盐(HCO₂⁻)，而甲酸盐是一种可用于燃料、药物和抗菌应用的化合物。

研究人员从大自然自身的碳转化方法——光合作用中获取灵感。论文第一作者赛·普尼特·德赛表示：“我们利用二氧化碳这种廉价且丰富的物质，加入电子和质子，将其转化为有用物质。”他还补充道，在他们的反应和光合作用中，质子和电子的转移都是由光直接或间接促进的。合著者安德烈莎·穆勒强调，该过程如同光合作用一样，将太阳能储存在化学键中。

为提高反应的效率和稳定性，研究小组对催化剂与二氧化碳的相互作用方式进行了修改。传统上，二氧化碳直接与催化剂中的金属中心结合，这会引发副反应并使催化剂降解。布鲁克海文人工光合作用小组负责人哈维尔·康塞普西翁指出，在这些类型的二氧化碳转化中，通常需要将二氧化碳与催化剂上的金属中心结合，这就意味着有空隙可供其他竞争分子进入并与金属发生反应。

为避免这一问题，研究小组用配体包围了金属中心，配体就像金属“花”周围的花瓣。穆勒解释称，催化剂如同花朵，金属是花心，花瓣是配体，所有的化学反应都发生在其中一个配体上，而非金属上。这种基于配体的设计可阻止不必要的反应。康塞普西翁表示，这种机制具有高度选择性，只生成甲酸盐，氢气或一氧化碳等竞争产物不会生成，因为它们需要与金属直接相互作用，而在此机制下这些其他产物根本不可能生成。

此外，这种方法的另一主要优势是灵活性。配体进行化学反应时，中心金属可进行更换。穆勒称，由于化学反应发生在配体上而非金属上，这为使用其他金属作为催化剂核心提供了可能。这项研究使用了钌，但同样的策略也适用于铁，铁储量更为丰富，价格也更实惠。康塞普西翁指出，这篇论文表明这种基于配体的策略可推广到其他金属，他们的目标是寻找地球上储量丰富的金属，而铁是最丰富的金属之一。