全球變暖按下“加速鍵”，如何把二氧化碳“變廢為寶”成了科研界的熱門課題。有一種“陽光工廠”技術(shù)——光催化CO?還原，能像植物光合作用那樣，用太陽能把二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、乙醇等燃料，既減碳又產(chǎn)能。但要讓這技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，關(guān)鍵得找到高效、穩(wěn)定、環(huán)保的“催化劑選手”。最近，溫州大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在《Frontiers in Energy》上發(fā)布的研究，讓一類叫“金屬鹵化物”的材料進(jìn)入了公眾視野。

為什么是金屬鹵化物？它有啥“超能力”？

傳統(tǒng)光催化劑要么吸光能力弱，要么電荷分離效率低，總像“漏勺”一樣留不住能量。金屬鹵化物卻像“全能型選手”：可調(diào)的帶隙能精準(zhǔn)匹配太陽光波長(zhǎng)（就像給不同顏色的光配“專屬通道”），高吸光效率能“吃干榨盡”光能，低激子結(jié)合能讓電子和空穴快速分離——這些特性讓它成了光催化領(lǐng)域的“潛力股”。

不過，金屬鹵化物也分“性格”。全無機(jī)型（比如CsPbBr3）像“硬核戰(zhàn)士”，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定但鉛元素有毒；有機(jī)-無機(jī)雜化型（比如FAPbBr3）像“柔性管家”，通過有機(jī)陽離子調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，卻容易因吸水“散架”。科學(xué)家們得像“搭積木”一樣，根據(jù)需求選材料、調(diào)結(jié)構(gòu)。

怎么造？合成方法有“巧招”

要讓金屬鹵化物發(fā)揮實(shí)力，合成方法是關(guān)鍵。研究里提到四種“利器”：水熱法像“高壓蒸籠”，在高溫高壓下讓原料溶解再結(jié)晶，能做出晶粒均勻的晶體；熱注入法像“速冷魔法”，把前驅(qū)體快速注入高溫溶劑，適合做高質(zhì)量納米晶；配體輔助再沉淀法（LARP）更“溫和”，通過溶劑極性變化讓晶體自然析出，適合大規(guī)模生產(chǎn)；反溶劑沉淀法像“分層過濾”，利用溶劑和反溶劑的差異快速結(jié)晶，能直接在基底上長(zhǎng)催化劑。

比如用LARP法合成的FAPbBr3量子點(diǎn)，在水和乙酸乙酯混合環(huán)境里，CO產(chǎn)率能達(dá)到181.25 μmol/(g·h)，還能穩(wěn)定工作520分鐘——這相當(dāng)于給催化劑裝了“長(zhǎng)效電池”。

效果如何？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“說話”

論文里列了一串“成績(jī)單”：CsPbBr3量子點(diǎn)搭配鎳配合物，CO和CH4總產(chǎn)率達(dá)431 μmol/(g·h)；鉍基材料Cs3Bi2I9在水蒸氣環(huán)境下，CO產(chǎn)率是商用TiO2的4倍多；更厲害的是TMOF-10-NH2，加載釕納米顆粒后，CO產(chǎn)率飆升到154 μmol/(g·h)，還能連續(xù)工作24小時(shí)不“罷工”。

但“選手”也有短板：鉛基材料毒性大，容易污染環(huán)境；部分材料在高溫高濕下會(huì)“解體”；目前多數(shù)只能生成CO等簡(jiǎn)單產(chǎn)物，離“變”出乙醇、甲烷等高能燃料還有距離。

未來怎么走？科學(xué)家指了三條路

針對(duì)這些問題，研究團(tuán)隊(duì)提了方向：一是找“鉛替代者”，用鉍、銅、銀等低毒金屬做“主角”，比如鉍基材料Cs3Sb2Br9的CO產(chǎn)率比CsPbBr3還高10倍；二是“穿鎧甲”，用MOF（金屬有機(jī)框架）包裹或疏水配體修飾，讓材料更耐水耐熱；三是“升級(jí)反應(yīng)”，通過調(diào)控催化劑表面活性位點(diǎn)，降低C-C鍵耦合的“難度”，推動(dòng)CO2轉(zhuǎn)化為乙醇等更高價(jià)值的產(chǎn)物。

論文作者表示：“金屬鹵化物像‘萬能補(bǔ)丁’，通過分子設(shè)計(jì)能適應(yīng)不同需求。未來，我們可能在建筑外墻上看到‘會(huì)發(fā)電的玻璃’，或者在可穿戴設(shè)備里用上更耐用的光催化電池。”

來源: FIE能源前沿期刊