上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授林柏霖課題組通過新型電極的構(gòu)造和系統(tǒng)工程優(yōu)化，首次開發(fā)出了太陽能到化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)換效率超過20%的二氧化碳還原人工光合作用系統(tǒng)。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《材料化學(xué)雜志A》。

植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)換成電勢能，進(jìn)而驅(qū)動一系列生化反應(yīng)，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成含碳的能量載體和氧氣，這是碳基生物利用能源和碳物質(zhì)的核心基礎(chǔ)過程。但自然光合作用中太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率太低，雖然理論值最高可達(dá)8%，但實(shí)際上一般小于1%，而人工光合作用的最高能量轉(zhuǎn)換效率也不到18%。

林柏霖課題組創(chuàng)造性地開發(fā)了一種在納米多孔聚丙烯膜上負(fù)載納米多層級孔銀的一體化薄膜電極，可實(shí)現(xiàn)高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的二氧化碳電還原。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，這種納米多級孔結(jié)構(gòu)不僅可以增加活性位點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)也突破了前人報(bào)道的基于薄膜電極的三相界面擴(kuò)散極限的限制，從而在低過電勢下實(shí)現(xiàn)相對較高的二氧化碳電還原分電流密度和一氧化碳的選擇性。

“通過定量系統(tǒng)工程分析發(fā)現(xiàn)，該電極如果與目前最先進(jìn)的太陽能電池搭配，可以充分利用太陽能電池的光電流，預(yù)計(jì)太陽能到化學(xué)能的最高轉(zhuǎn)換效率約為25%?！绷职亓馗嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，他們同時(shí)將該電極與課題組開發(fā)的鎳鐵基陽極相結(jié)合，與商業(yè)化的太陽能電池相匹配，開發(fā)出了基于二氧化碳還原的人工光合作用系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在28小時(shí)的長時(shí)間測試過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，其太陽能到化學(xué)能最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了約20.4%，全程平均能量轉(zhuǎn)換效率為20.1%，超過了目前所有已知的二氧化碳還原人工光合作用系統(tǒng)。

林柏霖表示，這一發(fā)現(xiàn)對未來人工光合作用系統(tǒng)的進(jìn)一步突破具有指導(dǎo)意義。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1039/D0TA06714H