科学家展示了通过人工光合作用高效，光动力生产燃料的方法

太阳能电解池的示意图，该电解池将二氧化碳转化为碳氢化合物和含氧化合物的产物，其效率远远高于自然光合作用。功率匹配电子器件使系统可以在一系列阳光条件下运行。(

在一项新的研究中，伯克利实验室的科学家利用光合作用的力量将二氧化碳转化为燃料和酒精，其效率远高于植物。这一成就标志着迈向可持续燃料来源的重要里程碑。

许多系统已成功地将二氧化碳还原为化学和燃料前体，例如一氧化碳或称为合成气的一氧化碳和氢气的混合物。这项新工作在《能源与环境科学》杂志上发表的一项研究中得到了描述，它是第一个成功证明从二氧化碳直接转化为目标产品（即乙醇和乙烯）的方法，其能量转换效率可与自然同行媲美。

研究人员通过优化光伏电化学系统的每个组件来减少电压损失，并在现有材料不足时创建新材料来实现这一目的。

“这是令人振奋的发展，”伯克利实验室的科学家，首席研究员乔尔·阿格说，他同时被任命为材料科学和化学科学部门的负责人。随着大气中二氧化碳水平的上升改变了地球的气候，发展可持续能源的需求变得越来越紧迫。我们在这里的工作表明，我们有一条合理的途径可以直接从阳光中制造燃料。

太阳到燃料的路径是人工光合作用联合中心（JCAP）的主要目标之一，该中心成立于2010年，是美国能源部能源创新中心，旨在推进太阳能研究。这项研究是在JCAP的伯克利实验室校园内进行的。

JCAP研究的最初重点是解决光合作用过程中水的有效分裂。使用多种类型的设备在很大程度上完成了这项任务后，从事太阳能驱动的二氧化碳减排工作的JCAP科学家开始将目光投向实现类似于水分解的效率，许多人认为这是人工光合作用的下一个重大挑战。

伯克利实验室的另一个研究小组正在通过解决光伏电化学系统中的特定组件来应对这一挑战。在今天发表的一项研究中，他们描述了一种新型催化剂，该催化剂可以使用创纪录的低能量输入实现二氧化碳到多碳的转化。

不只是中午

对于这项JCAP研究，研究人员设计了一个完整的系统，使其可以在一天的不同时间工作，而不仅仅是在1个太阳光的光能水平下工作，这相当于晴天正午时的亮度峰值。他们改变了光源的亮度，以表明该系统即使在弱光条件下也保持有效。

当研究人员将电极与硅光伏电池耦合时，在0.35至1个太阳光的照射下，太阳能转换效率达到了3％至4％。将配置更改为串联的高性能串联太阳能电池，在1阳光照射下，其碳氢化合物和含氧化合物的转换效率超过5％。

“当我们达到5％时，我们在实验室里跳了一点舞。”阿杰说，他还被任命为加州大学伯克利分校材料科学与工程系的兼职教授。

研究人员开发的新组件包括铜银纳米珊瑚阴极（可将二氧化碳还原为碳氢化合物和含氧化合物）和氧化铱纳米管阳极（可氧化水并产生氧气）。

“纳米珊瑚的优点是，就像植物一样，它可以在广泛的条件下制造目标产品，而且非常稳定，” Ager说。

研究人员在分子铸造国家电子显微镜中心（位于伯克利实验室的DOE科学用户设施办公室）对这些材料进行了表征。结果帮助他们了解了金属在双金属阴极中的功能。具体来说，他们了解到，银有助于将二氧化碳还原为一氧化碳，而铜则从那里吸收，从而将一氧化碳进一步还原为碳氢化合物和醇类。

寻求更好的，低能耗的分手

因为二氧化碳是一种顽固的稳定分子，所以将其分解通常会涉及大量的能量输入。

“将二氧化碳还原为乙醇或乙烯之类的碳氢化合物最终产品，可能需要5伏才能完成，”该研究的主要作者，伯克利实验室博士后研究员古鲁达亚尔（Gurudayal）说。“我们的系统在保持产品选择性的同时将其减少了一半。”

值得注意的是，电极在中性pH值的水中能很好地工作。

Gurudayal说：“研究阳极的研究小组大多是在碱性条件下进行的，因为阳极通常需要高pH值的环境，这对于CO2的溶解度而言并不理想。”“很难找到在中性条件下工作的阳极。”

研究人员通过在氧化锌表面上生长氧化铱纳米管来定制阳极，以产生更均匀的表面积，从而更好地支持化学反应。

JCAP科学与研究整合部副主任伯克利实验室化学家Frances Houle说：“通过如此仔细地完成每个步骤，这些研究人员证明了人们目前无法实现的性能和效率水平。”的研究。“这是在有效减少二氧化碳和测试新材料的设备设计方面迈出的一大步，它为未来完全集成的太阳能驱动的二氧化碳减排设备的发展提供了清晰的框架。”

这项研究的其他合著者包括伯克利实验室材料科学博士后研究员詹姆斯·布洛克（James Bullock），他在设计系统的光伏和电解电池配对方面发挥了作用。Bullock在研究实验室中与人合着，是伯克利实验室的高级研究员，加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授阿里·贾维（Ali Javey）。

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

出版物：Gurudayal等人，“将太阳能驱动的电化学CO2有效还原为碳氢化合物和含氧化合物”，《能源环境科学》，2017年； DOI：10.1039 / c7ee01764b