密歇根州安娜堡——密歇根大学的研究人员开发了一种新型人工光合作用系统，该系统可以将两个碳原子结合在一起形成碳氢化合物。所得产物是乙烯，与目前使用的其他人工光合作用系统相比，这种方法表现出了高效、大量和持续生产乙烯的卓越能力。由此产生的乙烯是许多塑料的重要成分，其效率、产量和寿命远高于竞争系统，这是重复利用二氧化碳制造可持续燃料的关键一步。

该系统生产乙烯的效率、产量和寿命远高于其他人工光合作用系统。乙烯是一种通常用于塑料的碳氢化合物，因此该系统的一个直接应用是收集二氧化碳，否则这些二氧化碳会被排放到大气中用于制造塑料。

密歇根大学电气与计算机工程系教授、《自然合成》杂志研究论文通讯作者 Zetian Mi 表示：“其性能、活性和稳定性比通常报道的太阳能或光驱动二氧化碳还原为乙烯的性能高出五到六倍。”

“乙烯实际上是世界上产量最大的有机化合物。但它通常是在高温高压条件下用石油和天然气生产的，所有这些都会排放二氧化碳。”

长期目标是将更长的碳和氢原子链串联起来，生产出易于运输的液体燃料。挑战的一部分是从二氧化碳中去除所有氧气作为碳源，并将水 H2O 作为氢源。

该装置通过两种半导体吸收光线：氮化镓纳米线森林，每根只有 50 纳米（几百个原子）宽，以及生长这些纳米线的硅基。将水和二氧化碳转化为乙烯的反应发生在铜簇上，每个铜簇约有 30 个原子，散布在纳米线上。

将纳米线浸入富含二氧化碳的水中，并暴露在相当于中午太阳的光线下。光能释放出电子，电子会分裂氮化镓纳米线表面附近的水。这会产生氢气以供给乙烯反应，同时也会产生氧气，氮化镓会吸收氧气变成氧化氮化镓。

铜擅长抓住氢并抓住二氧化碳中的碳，将其转化为一氧化碳。有了氢和光的能量注入，研究小组认为两个一氧化碳分子与氢结合在一起。据信，反应在铜和氮化镓氧化物的界面处完成，两个氧原子被剥离，并被分解水中的三个氢原子取代。

研究小组发现，半导体在光照下产生的自由电子中，有 61% 参与了乙烯反应。虽然另一种以银和铜为基础的催化剂也能达到类似的效率，约为 50%，但它需要在碳基流体中运行，而且只能运行几个小时就会降解。相比之下，密歇根大学研究小组的设备运行了 116 个小时，没有出现任何减速，而且该团队已经运行了类似的设备 3000 个小时。

这在一定程度上是因为氮化镓和水分解过程之间的协同关系：氧气的加入改善了催化剂，并实现了自修复过程。未来我们将探索该设备寿命的极限。

最后，该装置生产乙烯的速率比最接近的竞争系统高出四倍多。

密歇根大学电气与计算机工程助理研究员、论文第一作者张兵兴表示：“未来我们想要生产一些其他多碳化合物，比如含有三个碳的丙醇或液体产品。”

液体燃料可以使许多现有的运输技术变得可持续，这是米先生的最终目标。

这项研究得到了美国陆军研究办公室的支持。

该设备是在 Lurie 纳米制造工厂建造的，并在密歇根材料表征中心进行研究。

该团队在密歇根大学创新合作伙伴的帮助下申请了专利保护，并正在将该技术授权给由 Mi 共同创立的密歇根大学创业公司 NX Fuels。Mi 和密歇根大学在 NX Fuels 拥有财务利益。