化学家设计出一种分子，可利用光或电将二氧化碳转化为一氧化碳——一种碳中和燃料来源——其效率超过其他任何“碳还原”方法。
研究负责人、印第安纳大学布卢明顿分校化学系副教授梁世礼（Liang-shi Li）说：“如果能为这一反应创造出足够高效的分子，它就能产生免费的能量，并以燃料的形式储存起来。这项研究朝着这个方向迈出了一大步。”
燃烧燃料（例如一氧化碳）会产生二氧化碳并释放能量。将二氧化碳重新转化为燃料，至少需要同等数量的能量。科学家的一项重要目标一直是减少所需的额外能量。
李的分子正是实现了这一点：它驱动一氧化碳生成所需的能量，是迄今报告的最低水平。这种分子由纳米石墨烯与铼组成的复合物构成，并通过一种称为联吡啶的有机化合物连接；它能触发高效反应，将二氧化碳转化为一氧化碳。
这种新分子利用纳米石墨烯复合物（左侧）吸收光，并推动二氧化碳（上方中央）转化为一氧化碳（右侧）。
高效且专一地生成一氧化碳的能力意义重大，这源于该分子的多功能性。
李说：“一氧化碳是许多工业流程中的重要原料。它也是一种以碳中和燃料形式储存能量的方式，因为你排回大气中的碳并不比先前移除的更多。你只是在重新释放用于制造它的太阳能。”
这种分子高效的秘诀在于纳米石墨烯——一种纳米尺度的石墨碎片。石墨是常见的碳形态（即铅笔中的黑色“铅芯”）。这种材料颜色深，能吸收大量阳光。
李说，长期以来，研究人员一直在研究联吡啶-金属复合物，尝试利用阳光将二氧化碳还原为一氧化碳。但这类分子只能利用阳光中极小一部分的光，主要是肉眼不可见的紫外光。相比之下，这种分子利用纳米石墨烯的吸光能力，使反应能够利用波长最高达600纳米的阳光，涵盖可见光谱中的很大一部分。
李说，从本质上讲，这种分子像一个由两部分组成的系统：吸收阳光能量的纳米石墨烯“能量收集器”，以及产生一氧化碳的铼原子“引擎”。能量收集器驱动电子流向铼原子，铼原子反复结合并将通常稳定的二氧化碳转化为一氧化碳。
将纳米石墨烯与金属连接的想法，源自李此前利用这种碳基材料制造更高效太阳能电池的尝试。他说：“我们问自己：能否省去中间环节——太阳能电池，只利用纳米石墨烯的吸光特性来驱动反应？”
接下来，李计划增强这种分子的性能，包括延长其使用寿命，并使其能够以非液态形式稳定存在，因为固体催化剂在现实应用中更容易使用。他还在尝试将分子中的铼原子（一种稀有元素）替换为更常见、成本更低的金属锰。
这项研究由印第安纳大学研究副教务长办公室和美国国家科学基金会资助，研究成果发表于《美国化学会志》。
