當鋼廠煙囪還在噴吐二氧化碳時，傳統光催化技術還在為3%的轉化效率掙扎？西安交通大學團隊在《能源前沿》發布突破性成果：其研發的0D/1D鉍基鈣鈦礦/WO? Z型異質結催化劑，在可見光下將CO?轉化為CO的效率提升300%，產物選擇性達98.7%，相當于在萬噸廢氣中精準"捕撈"碳分子，為工業碳減排按下"加速鍵"。

從"單打獨斗"到"光合協作"：Z型異質結打通電子高速路

傳統催化劑如同瘸腿運動員——鉍基鈣鈦礦擅長捕捉CO?卻易"抱團失效"，WO?能拆解水卻無力還原碳。研究團隊仿植物光合作用，構建Z型電子鏈（一種雙向電子傳遞系統）：

  • 0D鈣鈦礦（Cs?Bi?I?）化身"捕碳手"，專攻CO?→CO轉化
  • 1D WO?納米棒擔任"拆水工"，分解水提供電子
    通過原位生長技術將兩者原子級鍵合（圖1d），形成納米級"電子立交橋"。實驗顯示，電子傳輸效率提升50倍，電荷復合率降低80%。

"釘子與軌道"設計：1D骨架鎖死0D粒子防脫逃

鉍基鈣鈦礦的致命傷是遇水團聚。團隊利用靜電吸附原理（WO?帶正電 vs 鈣鈦礦帶負電），將0D納米顆粒像釘子般錨定在1D納米棒表面。電鏡圖像顯示，15%負載量的復合催化劑（CBI/WO?-15%）中，鈣鈦礦間距穩定在50納米（圖1d），徹底解決"抱團罷工"難題。論文證實，該結構使活性位點暴露量增加3倍。

三組數據破紀錄：弱光環境照樣高效捕碳

在模擬陰天的420nm可見光下（100mW/cm2）：

  1. 效率躍升：CO產率16.5 μmol/(g·h)，較純鈣鈦礦（5.3 μmol/(g·h)）提升300%（圖3a）
  2. 精準狙擊：98.7%產物為純凈CO，僅含0.3%甲烷（圖3b），杜絕有毒副產物
  3. 日夜連軸轉：連續工作9小時效率零衰減（圖3d），同位素標記（13CO?）證實碳源100%來自廢氣

暗藏短板：暴雨天效率打七折

技術仍存局限。論文指出，當光照強度＜50mW/cm2（相當于暴雨前夕），CO產率下降30%。團隊坦言："這如同太陽能車突遇烏云——光子'燃料'供應不足。"正開發"稀土元素助催化劑"，目標將弱光響應提升50%。

產業革命：鋼廠碳捕集成本直降60%

以千萬噸級鋼廠測算：
? 傳統碳捕集：600元/噸 + 高能耗
? 新技術：屋頂裝光反應器 + 零額外耗能 + 產物CO用于煉鋼
綜合成本降至240元/噸，年減碳量相當于種植3.6萬公頃森林。

倫理警鐘：鉍元素降解周期待驗證

盡管使用無鉛材料，但鉍在自然環境中的降解行為尚未明確。論文呼吁建立"催化劑遺骸追蹤系統"，防止環保技術反成生態負擔。

正如研究者所述："當每一縷陽光都在吞噬二氧化碳，凈零排放將照進現實。"這項突破不僅破解工業碳捕集痛點，更推動光催化技術從實驗室走向鋼鐵叢林。

來源: FIE能源前沿期刊