科学家发现了一种可将二氧化碳转化为“积木”分子的单点可见光活化催化剂，使用单一钴离子降低分解二氧化碳的能量门槛，并利用国家同步加速器光源II（NSLS-II）揭示这一高效反应的细节。这项研究开启了利用阳光将温室气体转化为碳氢化合物燃料的可能，成果近期发表在《美国化学学会杂志》上。
将二氧化碳转化为一氧化碳和氧气具有宝贵的应用价值和现实意义。分解二氧化碳既可以去除大气中多余的二氧化碳，还可以制造燃料。但打破二氧化碳的化学键需要的能量高、耗时长。因此，科学家希望研发一种降低能量壁垒的催化剂。
打破二氧化碳化学键的一个关键因素是电子的供应。半导体材料被光激活时会产生电子，这些电子能够被化学反应的催化剂利用。但许多半导体只能被紫外线激活，而紫外线在太阳光谱中的占比不足5%。我们需要找到可以被可见光激活的半导体材料，将这种半导体与催化剂结合在一起。同时这种催化剂必须由自然界中大量存在的物质制成，而不是贵金属材料制成，且具有足够的选择性，即只驱动二氧化碳转化为一氧化碳的反应。
与石墨化氮化碳（C3N4）结合的钴离子，是一种由碳、氮和氢原子构成的半导体，它满足了上述所有要求。光激发石墨化氮化碳产生的电子具有足够高的能量，但寿命不长，无法到达半导体表面发生化学反应。科学家采用了牺牲电子供体的方法生产高能电子，在实验中使用水分子作为催化过程的电子供体。
研究团队把钴离子沉积在石墨化氮化碳材料（由市场可购买的尿素支撑）上，成功制备出催化剂，利用多种技术对合成催化剂进行研究，证实其可以在可见光照射下分解二氧化碳。
研究人员借助国家同步加速器光源II（NSLS-II）上的快速X射线吸收和散射光束线精确测定催化剂结构，获得钴原子的数量、钴原子与碳原子和氮原子的相对位置、可能改进的方向以及其他特征信息。分析结果表明，这种催化剂由四面被氮原子包围的钴离子组成。这些数据还描述了同类催化剂可能的结构，为理论学家全面评估和理解这些反应提供支撑。
这种单点催化剂可以在阳光充足的地区使用，以类似于植物分解二氧化碳的方式分解大气中多余的二氧化碳，并利用反应的产物生产糖类、合成燃料或其他有用的化学物质。未来，研究人员还将继续探索催化剂工作的过程和机理，以便制造更好的催化材料。
