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光合作用光解水轉(zhuǎn)化效率-突破20%
發(fā)布時間：2022-11-07 瀏覽量：2438
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8%，但實際上光解水一般小于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載納米多層級孔銀的一體化薄膜電極，可實現(xiàn)高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的二氧化碳電還原。實驗和理論分析表明，這種納米多級孔結(jié)構(gòu)不僅可以增加活性位點的數(shù)量，同時也突破了前人報道的基于薄膜電極的三相界面擴散極限的限制，從而在低過電勢下實現(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)計太陽能到化學(xué)能的光解水最高轉(zhuǎn)換效率約為25%?！绷职亓馗嬖V《中國科學(xué)報》，他們同時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小時的長時間測試過程中表現(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)的進一步突破具有指導(dǎo)意義。