電子顯微鏡圖像顯示的半導體納米線， 它們將電子傳遞到金屬納米粒子，然後將二氧化碳和水轉化為甲烷
美國密歇根大學，麥吉爾大學和麥克馬斯特大學的科學家合作研發出一種新的人工光合作用方法，它利用陽光將二氧化碳轉化為甲烷，可以幫助使天然氣動力裝置實現碳中和。
甲烷是天然氣的主要成分。光合作用是綠色植物利用陽光利用二氧化碳和水為自己製造食物，釋放副產物氧的過程。人工光合作用通常的目的是從相同的原料生產類似於天然氣或汽油的碳氫燃料。
太陽能催化劑由豐富的材料製成，並且可以大規模生產。研究人員認為，這可能會在5到10年內將二氧化碳再循環為清潔燃燒的燃料。
密歇根大學的電氣工程和計算機科學教授Zetian Mi與麥吉爾大學的材料工程教授Jun Song表示：“美國30％的能源來自天然氣。如果我們能產生綠色甲烷，那將是很大的事情。”
將二氧化碳轉化為甲烷是一個非常困難的過程。碳必須從二氧化碳中收集，因為二氧化碳是最穩定的分子之一，因此需要大量能量。同樣，必須分解H2O水分子才能將氫連接到碳上。每個碳都需要四個氫原子才能轉化為甲烷。
高效，廉價的電催化劑是關鍵。研究人員開發了一種二元銅鐵催化劑，能夠將二氧化碳通過光電方法還原為甲烷。
理論計算表明，二元銅鐵催化劑中的銅和鐵可以協同作用自發地支持二氧化碳，進而活化和轉化甲烷合成。在陽光照射下，使用平面硅光電極，二元銅鐵催化劑具有高電流密度和令人印象深刻的甲烷生產效率。
關鍵的催化劑成分是銅和鐵的納米顆粒。銅和鐵通過它們的碳和氧原子固定在分子上，為氫騰出時間來使水分子碎片躍遷到碳原子上。
該設備是一種散佈有銅和鐵的納米粒子的太陽能電池板。它可以利用太陽的能量或電流分解二氧化碳和水。其基本層是硅晶片，和太陽能電池板中的硅晶片不同。該晶片的頂部是納米線，由半導體氮化鎵製成，每個納米線高300納米（0.0003毫米），寬約30納米。該裝置產生了可以發生反應的大表面積。納米顆粒斑點納米線被水薄膜覆蓋。該設備可以設計成僅在太陽能下運行，或者可以通過補充電力來提高甲烷的產量。依靠電力運行，該設備可能會在黑暗環境中運行。
在實踐中，人造光合作用面板需要連接到濃二氧化碳源，比如從工業煙囪中捕獲的二氧化碳。該裝置還可以生成合成天然氣或甲酸，這是動物飼料中的常見防腐劑。
這項研究為太陽能燃料的合成提供了一種獨特，高效且廉價的途徑。
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