二氧化碳濃度已達歷史高位，對於碳捕集解決方案的需求日益迫切。工業部門、交通運輸及能源生產持續向大氣中排放二氧化碳。
捕集二氧化碳雖然是其中一個重要環節，但將其轉化為有用的物質則是另一項挑戰。美國能源部布魯克海文國家實驗室的化學家團隊已開發出一種光驅動的方法，將二氧化碳轉化為有價值的工業化學品——甲酸。
他們的研究描述了一種基於鉑金屬（ruthenium）的催化劑，利用光來觸發電子和質子的轉移。
這一反應將二氧化碳轉化為甲酸（HCO2-），這種化合物可用於燃料、製藥及抗微生物應用。
研究人員從自然界的碳轉化方法——光合作用中獲得靈感。論文的主要作者 Sai Puneet Desai 表示：「我們正在利用廉價且豐富的二氧化碳，並添加電子和質子將其轉化為有用的物質。」
Desai 補充道：「在我們的反應和光合作用中，質子和電子的轉移都是由光直接或間接促進的。」團隊強調，他們的過程與光合作用相似，能夠將太陽能儲存在化學鍵中。共同作者 Andressa Müller 表示：「可以將其視為將光能儲存在化學鍵中。」
為了提高反應的效率和穩定性，團隊修改了催化劑與二氧化碳的互動方式。
傳統上，二氧化碳直接與催化劑中的金屬中心結合，這可能導致副反應並降低催化劑的效能。
布魯克海文人工光合作用小組的負責人 Javier Concepcion 說：「在這類二氧化碳轉化中，通常需要將二氧化碳與催化劑的金屬中心結合。這意味著會有空位讓其他競爭分子進入並與金屬反應。」
為了避免這一問題，團隊在金屬中心周圍添加了配體，這些化學基團就像金屬「花朵」周圍的花瓣。
Müller 解釋道：「催化劑就像一朵花：金屬是花的中心，而花瓣是配體。我們可以通過這些配體調整催化劑的特性，所有的化學反應都在其中一個配體上進行，而不是在金屬上。」
這種基於配體的設計能夠關閉不必要的反應。Concepcion 表示：「這一機制具有高度選擇性；僅產生甲酸。」由於競爭產品如氫或一氧化碳需要直接與金屬互動，因此不會形成。「在這種情況下，因為機制是基於配體的，所以不會產生這些其他產品。」
這一方法的另一個主要優勢是其靈活性。由於化學反應發生在配體上而非金屬上，因此可以更換中央金屬。Müller 指出：「這為使用其他金屬作為催化劑的核心開辟了可能性。」
目前的研究使用了鉑金屬，但同樣的策略也適用於鐵，這種金屬更為豐富且經濟實惠。Concepcion 表示：「這篇論文證明了這一基於配體的策略可以推廣到其他金屬。我們的目標是朝向使用地球上更為豐富的金屬。沒有比鐵更豐富的了。」
該研究已發表於《美國化學學會期刊》。
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