维度网讯，英国诺丁汉大学（University of Nottingham）研究人员开发出一种太阳能驱动催化剂材料，能够在单一光子能量作用下，同时将二氧化碳还原并氧化有机废弃物，从而在两种反应中都生成有价值的化学品。相关成果已发表在自然出版集团的《通讯材料》（Communications Materials）上。

这套无偏置光电化学（PEC）反应器由两个相连的隔室组成，每个隔室均装有新开发的催化剂。阳光照射其中一个隔室时，每个光子驱动一个生物废弃物分子的氧化反应，过程中释放的电子转移至第二个隔室，将二氧化碳（CO₂）还原为甲酸盐。整个过程仅从一个光子的能量中产生两种有用产品：一种来自温室气体的化学品，广泛用于纺织品、油漆和药品；另一种来自生物废弃物的前体，可用于制造下一代生物基塑料。

设计PEC反应器与催化剂的诺丁汉大学化学学院研究助理马萨米·坦加穆图博士（Madasamy Thangamuthu）介绍，该过程的核心是一种由氮化碳和氧化钨半导体制成的纳米结构光阳极，其上增强了一层氧化钴，并与第二个隔室中的阴极耦合。当太阳光的一个光子撞击光阳极时，过程启动，产生一个电子，该电子传递至阴极以还原CO₂，而光阳极上的剩余空穴则同时氧化5-羟甲基-2-呋喃甲酸（HMFA）分子。

测试显示，这套PEC反应器在CO₂到甲酸盐的转化中实现了约93%的效率，在生物质氧化中实现了约95%的效率，显示出对光子能量的高效利用。由于转化仅由太阳能驱动，无需额外热量或电力输入，该方法为可持续化学品制造提供了新途径。

化学学院助理教授文森佐·塔雷斯科博士（Vincenzo Taresco）指出，可持续聚合物生产是当前关键挑战之一，虽然材料化学进展迅速，但仍需新策略来高效驱动反应。利用太阳光实现的清洁过程，可确保可持续能源推动可持续化学。

诺丁汉大学团队开发的催化剂与许多依赖昂贵或稀缺材料的现有催化剂不同，这些新型催化剂由地球丰富的元素制成，更适合规模化应用。生命周期评估进一步确认了这一过程的环境效益，凸显其在低碳化学品制造中的潜力。未来，该催化剂系统有望放大至工业用途。

化学学院副教授、多相催化专家杰苏姆·阿尔维斯·费尔南德斯博士（Jesum Alves Fernandes）认为，催化剂制造方法对这项技术的未来成功至关重要。该团队独特的金属原子表面组装方法——定制尺寸、形状和组成——对于将这项工作扩展到其他化学过程并进一步增强CO₂利用至关重要。该团队此前已报道过从单个原子在表面组装催化剂，用于制造制氢和将CO₂转化为甲醇的高效催化剂。

研究人员认为，这一方法可进一步开发，与工业CO₂源和生物精炼厂整合，实现分布式、可持续的化学品生产。化学学院纳米材料教授安德烈·赫洛布斯托夫（Andrei Khlobystov）表示，这一发现开辟了直接捕获阳光、同时应对两个全球挑战的新机遇。

该工作由EPSRC计划资助项目“用于可持续未来的表面与界面上的金属原子（MASI）”支持，代表着在减少制氢对昂贵金属依赖方面迈出的重要一步，为循环和低碳经济做出了贡献。

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