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- 點(diǎn)亮未來 -

2020年7月20日，雜志《Nature Climate Change》上發(fā)表了一篇關(guān)于北極熊的研究報(bào)告《Fasting season length sets temporal limits for global polar bear persistence》，并迅速登上各大熱搜頭條。報(bào)告指出，氣候變暖導(dǎo)致北極海冰消融，使得北極熊的生存環(huán)境遭到極大破壞，北極熊被迫前往海岸地區(qū)。而在那里，北極熊很難找到食物和哺育幼崽，這將使北極熊的數(shù)量大幅下降。在部分地區(qū)，北極熊已經(jīng)陷入數(shù)量螺旋式下降的惡性循環(huán)。

氣候變暖主要的原因是溫室效應(yīng)的不斷累積，大氣中的二氧化碳等溫室氣體就像一層厚厚的玻璃，把地球變成了一個(gè)大暖房。除非人類采取更多措施應(yīng)對(duì)氣候變化，否則這一物種或?qū)⒃?/span>2100年左右?guī)缀跸А?/span>

光催化CO₂還原

如何實(shí)現(xiàn)CO₂的捕捉、儲(chǔ)存和利用，以及如何降低地球大氣中的碳含量，成為了科學(xué)家研究的焦點(diǎn)。光催化方法還原CO₂，可以在比較溫和的光照反應(yīng)條件一步直接獲得一氧化碳/碳?xì)浠衔锏然瘜W(xué)品及燃料，具有極大的應(yīng)用前景。

光反應(yīng)量子產(chǎn)率（PQY）為光催化過程的評(píng)價(jià)及催化劑的研究提供了重要的參考指標(biāo)，PQY越高，說明光反應(yīng)對(duì)光子的利用率越高，催化劑的性能也越好。

Ru-Re超分子復(fù)合物光催化劑體系CO₂還原反應(yīng)

釕-錸（Ru-Re）超分子復(fù)合物是近年來研究比較熱門的光催化劑，可催化太陽光照下CO₂還原為CO的光化學(xué)反應(yīng)。

圖1. Ru-Re超分子復(fù)合物催化下光反應(yīng)示意圖

光反應(yīng)量子產(chǎn)率測(cè)試

CO₂還原過程的光反應(yīng)量子產(chǎn)率使用島津公司新發(fā)布的Lightway PQY-01光反應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中照射光波長(zhǎng)為470nm，強(qiáng)度為17 × 10-9愛因斯坦/秒。PQY-01測(cè)試得到吸收光譜及吸收的光子數(shù)。CO₂還原反應(yīng)生成的CO使用氣相色譜儀進(jìn)行定量。圖2顯示了CO生成量和吸收光子數(shù)相關(guān)的直線。直線的斜率即為反應(yīng)的量子產(chǎn)率，計(jì)算得到CO生成的量子產(chǎn)率為40%。

圖2. 一氧化碳生成量 vs 吸收光子數(shù)

中間體追蹤

光反應(yīng)中間體的追蹤對(duì)于研究反應(yīng)機(jī)理，開發(fā)高效的催化劑體系十分有用。PQY-01可以直接檢測(cè)到在Ru-Re超分子復(fù)合物催化下二氧化碳還原反應(yīng)的中間產(chǎn)物（圖1）。從圖3和圖4可見，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在550nm附近出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，此峰為光反應(yīng)中間產(chǎn)物的吸收光譜。經(jīng)過與文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)中間產(chǎn)物為單電子還原產(chǎn)物，為Ru-Re超分子復(fù)合物的光電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)所生成。

圖3. Ru-Re超分子復(fù)合物光催化反應(yīng)的光譜測(cè)量結(jié)果

圖4 Ru-Re超分子復(fù)合物光催化劑反應(yīng)的微分光譜結(jié)果

如果這類Ru-Re催化劑能夠投入實(shí)際應(yīng)用，那么就如同植物能通過光合作用把二氧化碳合成為淀粉和蔗糖等碳水化合物一樣，人類就可以通過效法自然的人工光合成，緩解溫室效應(yīng)，應(yīng)對(duì)未來能源危機(jī)。