太阳能燃料系统回收二氧化碳 生产乙醇和乙烯

能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们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。

许多系统已经成功地将二氧化碳还原成化学和燃料前体，例如一氧化碳或称为合成气的一氧化碳和氢的混合物。在能源与环境科学期刊上发表的一项研究中描述的这项新工作是第一个成功展示从二氧化碳直接转向目标产品(即乙醇和乙烯)的方法，其能量转换效率可与自然对应物相媲美。

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造新材料。

“这是一个令人兴奋的发展，”研究首席研究员乔尔·阿格说，他是伯克利实验室的科学家，在材料科学和化学科学部门有联合任命。“由于上升的大气CO 2水平的改变地球的气候，需要发展电力的可持续发展的资源已经变得越来越迫切。我们在这里的工作表明，我们必须直接从太阳光使燃料的可行路径。”

太阳能燃料路径是人工光合作用联合中心(JCAP)的主要目标之一，该中心是2010年成立的DOE能源创新中心，旨在推进太阳能燃料研究。该研究在JCAP的伯克利实验室校园进行。

JCAP研究的最初重点是解决光合作用过程中水的有效分裂问题。在很大程度上利用几种类型的设备完成了这项任务后，JCAP科学家在太阳能驱动的二氧化碳减排方面开始着眼于实现与水分解相似的效率，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关注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，他们描述了一种新的催化剂，它可以使用创纪录的低能量输入实现二氧化碳转化为多碳转化。

不只是中午

对于这项JCAP研究，研究人员设计了一套完整的系统，可以在一天中的不同时间工作，而不仅仅是在1日照射的光能水平下，这相当于晴天中午的亮度峰值。它们改变了光源的亮度，表明即使在低光照条件下系统仍然保持高效。

当研究人员将电极耦合到硅光伏电池时，它们实现了3到4%的太阳能转换效率，适用于0.35到1太阳光照射。将配置改为串联连接的高性能串联太阳能电池，在1日照射下，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，我们在实验室里做了一点舞蹈，”Ager说，他还兼任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 - 银纳米环氧阴极，它将二氧化碳还原为碳氢化合物和含氧化合物，以及氧化铱纳米管阳极，氧化水并产生氧气。

“纳米糖醇的优点在于，与植物一样，它可以在很多条件下制造目标产品，而且非常稳定，”Ager说。

研究人员在伯克利实验室的DOE科学用户设施分子铸造厂分析了国家电子显微镜中心的材料。结果帮助他们了解金属在双金属阴极中的作用。具体而言，他们了解到银有助于将二氧化碳还原成一氧化碳，而铜从那里吸收，以进一步减少一氧化碳到碳氢化合物和醇。

寻求更好，低能量的分手

因为二氧化碳是一种固执的稳定分子，所以分解它通常需要大量的能量输入。

“减少CO 2的烃的最终产物，如乙醇或乙烯最多需要5伏，从开始到结束，”研究主要作者Gurudayal，伯克利实验室博士后说。“我们的系统减少了一半，同时保持了产品的选择性。”

值得注意的是，电极在水，中性pH环境中运行良好。

“关于阳极工作研究组大多可能会使用碱性条件，因为阳极通常需要高的pH值的环境中，这是不理想的CO的溶解度2，” Gurudayal说。“找到一种在中性条件下工作的阳极非常困难。”

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。