滬科研團隊開發首個能量轉換效率超20%的二氧化碳還原人工光合作用系統

新民晚報訊（記者 郜陽）記者從上海科技大學獲悉，該校物質科學與技術學院林柏霖課題組透過新型電極的構造和系統工程最佳化，首次開發出了太陽能到化學能的能量轉換效率超過20%的二氧化碳還原人工光合作用系統，該成果在國際知名期刊《材料化學雜誌A》（Journal of Materials Chemistry A）上線上發表。

植物透過光合作用把太陽能轉換成電勢能，進而驅動一系列生化反應，把二氧化碳和水轉化成含碳的能量載體和氧氣，是碳基生物利用能源和碳物質的核心基礎過程。但是自然光合作用中太陽能到化學能的轉換效率太低，雖然理論值最高可以達8%左右，但是實際上一般小於1%，因而消耗了大量的土地和水資源，難以滿足人類社會面臨的日益嚴峻的可持續發展挑戰。

受自然界光合作用的啟發，人工光合作用可以透過光伏器件將太陽能轉換成電能，再驅動電化學系統將水氧化成氧氣，同時把二氧化碳還原為含碳能量載體或者具有高附加值的產物。人工光合作用不僅可以實現二氧化碳的減排，還可以將太陽能轉換成方便儲存的化學能，是實現人類可持續發展的一個關鍵策略，從上個世紀以來就吸引了全球科學家持續而廣泛的研究興趣。然而在本項研究工作之前，即使使用二氧化碳電還原活性最高的金催化體系，太陽能到化學能的最高能量轉換效率也不到18%。

林柏霖課題組創造性地開發了一種在奈米多孔聚丙烯膜上負載奈米多層級孔Ag的一體化薄膜電極，可同時在低過電勢下實現高活性、高選擇性和高穩定性的二氧化碳電還原。

記者瞭解到，該電極可在極低的過電勢下，將二氧化碳高選擇性地還原為一氧化碳。在所有可能的二氧化碳還原產物中，一氧化碳是每消耗單位能量具有最高的二氧化碳減排能力的產物之一。此外，工業界現有的成熟技術可以大規模地將一氧化碳轉化為其它常用的燃料或高附加值產物，比如汽油和甲醇等。

林柏霖課題組透過定量系統工程分析發現：該電極如果與目前最先進的太陽能電池相搭配，可以充分利用太陽電池的光電流，預計可以實現太陽能到化學能的最高轉換效率約為25%。之後，他們將該電極與課題組開發的鎳鐵基陽極相結合，在系統工程分析定量結果的指導下，與商業化的太陽能電池相匹配，開發出了基於二氧化碳還原的人工光合作用系統，在28小時的長時間測試過程中表現出良好的穩定性，整個系統的太陽能到化學能最高轉換效率達到了約20。4%，全程平均能量轉換效率為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。

此外，這項研究工作還透過定量系統工程分析揭示了在高效人工光合作用系統的構建中，相比於學界普遍關注的光電轉換效率，太陽電池的光電流是當前更需要突破的關鍵指標，這一發現對未來人工光合作用系統的進一步突破具有重要的指導意義。