超电势：二氧化碳转化的瓶颈

人工光合作用的大规模应用遇到一个致命的瓶颈--巨大的超电势。制造燃料的第一步--将二氧化碳转变为一氧化碳会耗费大量能量，需要大量超过平衡电势的电力才能使第一个反应进行，这也就是所谓的“超电势”。与得到的燃料所提供的能量相比，生产燃料所需的能量更多，得不偿失。文章的作者之一，伊利诺伊大学化工博士，现二氧化碳材料公司的研究人员朱薇补充说，以前的研究显示，当二氧化碳和水反应生成一氧化碳或者甲酸时，首先是要生成一种带负电的二氧化碳中间体，再由这种中间体转换为产物。生成这种中间体需要很高的能量，这也是为什么二氧化碳的转化一直需要很高的电能的原因。

超电势就是实际所需的电势和理论计算所需的电势之差。超电势越高，表示完成电化学反应的阻力越大。所以，对于任何电化学反应来说，超电势越低越好。“当超电势高，电能的利用率就越低，因为有一部分电能要去对抗超电势，只有一部分能量能够转化为产物储存起来。电能的大小和电势，材料的导电性相关，当我们能减少超电势的时候，电能就会相应减少。”朱薇说。

“第一步我们构建了一个电化学电池，用离子溶剂当电解质和助催化剂。”朱薇介绍，“以前一直有很多人在研究这个方面，但是他们都不可能达到我们所得到的极低的超电势。有人用水为基本的电解质溶液，这样也可以减少超电势，但是水对二氧化碳的溶解度很低，并不利于二氧化碳的转化。”Science上刊登的这个研究结果提供了一个有效地解决这个问题的方法。为了降低所需的电能，他们创造了这个以离子溶剂为电解质和催化剂的电化学系统。在这个系统中，水在正极上分解并释放出氢离子，氢离子渗透并且负极上的二氧化碳反应，产生一氧化碳。利用这个系统，二氧化碳只需要非常低的电能就可以转化为合成气体，为下一步的有机化合物的合成提供很大的便利。其中，合成气体的生产效率可以达到80%以上。

“我们所用的离子溶剂对二氧化碳的溶解度很高，所以十分利于二氧化碳的转化。同时，我们的研究，不仅提供了可信的实验结果，同时，也提出了新的得出这种实验结果背后隐藏的理论。”朱薇介绍，利用他们的理论和系统，超电势可以降到离平衡电势只差0.17V，而前人的研究超电势可以达到1.5V。