人工光合作用研究重鎮曝光:美國能源部從光解水轉向還原二氧化碳

2020-12-03 DeepTech深科技

人工光合作用的商業化是一個曲折的過程，比如2011年大肆宣傳的所謂「人工葉子」的故事。由於經濟性的問題，該項技術的原創公司Sun Catalytix 在2012年就迅速放棄了商業化應用的計劃。

但是，進程相近的其他一些公司，比如Hypersolar，仍在繼續嘗試將其商業化。而科學界在光電化學還原領域似乎也還進展的比較順利的。

光電化學還原的研究主要集中在美國能源部人工光合作用聯合中心（JCAP）。JCAP共有兩個分部，分別是位於伯克利國家實驗室的和加州理工學院。

前不久，科技媒體IEEE Spectrum採訪了伯克利國家實驗室分部的研究人員，主要討論了到以下幾個問題：

光電化學還原技術的現狀；未來發展；納米材料在發展過程中所起到的作用。

JCAP成立於2010年，是基於與美國能源部籤署的一個5年合作協議，旨在發展以太陽光、水、CO2作為原料的氫燃料和碳基燃料。2015年，在上述協議的基礎上，雙方又籤署了另一個5年合作計劃。

JCAP 北方分部的副主任佛朗西斯霍爾（Frances A. Houle）解釋說，「第一個5年合作計劃的主要任務是探索哪種類型的人工光合作用是我們能夠真正實現的。我們首先研究了水分解制氫，結果很成功，實現了我們的目標。」

霍爾說，「我們研究的產氫裝置，其產氫效率達10%，同時具備高的穩定性和持久性，有望製備大規模集成裝置。雖然有些其他的系統得到了18%的產氫效率，但它們與JCAP的系統完全不一樣。

不同之處在於，我們的系統不但可以分解水，還可以把產物分離開。通常來說，水分解會同時得到氫氣和氧氣，這是一種易爆易燃的混合物。我們在裝置裡嵌入了分離膜，由此在獲得高效率的同時將產物分離。」

圖 | JCAP 北方分部的副主任佛朗西斯霍爾（Frances A. Houle）

第一個5年計劃之後，JCAP開始採用技術成熟度（TRL）進行技術進展的評估。TRL共有10個等級，其中TRL-1代表基礎研究，TRL-10代表技術已成熟，可以進行商業化生產。

JCAP的光解水技術達到了TRL-3等級，即實驗裝置示範階段，不再是基礎科學研究階段。霍爾說，到達TRL-3等級後，表示技術已經過渡到發展階段，將會在能效和可再生能源辦公室基金的支持下開展後續工作。

2015年以來，JCAP承擔的任務重點轉向了利用光電化學方法還原CO2。這是一項非常有挑戰性的長期研究，而且與之前的研究差別較大。與光解水相比，CO2還原的研究工作更加繁重。

CO2還原反應會有很多產物，如何選擇性地獲取某種特定的產物作為燃料（比如甲醇），是最大的難點。目前JCAP尚未發表該方面的研究成果。

但是，在這期間，光解水方面有新的研究成果發表在《自然材料》期刊上，內容是利用半導體材料製備了一種光解水用催化劑。半導體材料具有帶隙，當受到能量高於其帶隙的光子撞擊時，就會產生電子-空穴對，進而產生電流。這就是光電器件如何把太陽能轉化為電能的原理，也是光電化學還原的基礎原理。

這項工作主要是由佛朗西斯瑪利亞託瑪（Francesca Maria Toma，JCAP的主要負責人）和她的同事傑森庫伯（Jason Cooper，JCAP的高級研究員）完成的，文章報導了半導體的製備和表徵。

另外，他們還對比了不同的半導體材料體系，比如矽、III-V半導體、金屬氧化物半導體。庫伯解釋到，「實際上，我們嘗試利用金屬氧化物半導體來降低整個裝置的成本，提高其性能，並研究新材料體系的局限性，因為目前尚未有相關的理論以及研究結果。」

託瑪表明，他們是在電池環境下進行的相關研究，希望由此研究納米材料在受限環境中的性能。值得一提的是，他們嘗試利用吸光材料比如氧化銅，通過製備納米結構的氧化銅來提高光電流，進而提高反應進程。

他們嘗試了很多種不同結構，才得到了最終的裝置。這款裝置經濟性高，效率高，耐腐蝕性強，暴露在太陽光中，產生氫氣和氧氣。其實，這個項目的目標之一就是製備高效穩定的裝置，並且其集成系統同樣具備高效率和高的穩定性。

他們利用了環氧樹脂作為分離器，將催化劑網格嵌入到其中。這樣的話，半導體產生的電子可以傳輸到催化劑層，並進入到溶液中。其中，環氧樹脂是利用原子層沉積的方法沉積在矽片上，厚度只有4nm。

目前JACP的研究人員已經轉向了CO2還原的研究方向。雖然之前的研究方向主要是水分解反應，但是有些經驗對於CO2還原也是適用的。

託瑪也表示，「我們並不是進入一個全新的領域，因為我們的專業背景對於CO2還原的研究同樣是非常重要的，一些研究過程是相似的。」

相關焦點

  • 人工光合作用:從水分解到二氧化碳還原
    這個科研團體的運氣似乎很不錯，極大地推進了光電化學還原方面的基礎科學研究。 光電化學還原的科學研究大部分是由美國能源部人工光合作用聯合中心（JCAP）主持開展的。JCAP成立於2010年，最初是美國能源部一個五年合約下的項目，旨在實現僅用陽光、水和二氧化碳生成氫氣和碳基燃料的宏偉藍圖。2015年雙方續籤了五年。
  • 武大《Nature》：人工光合作用讓二氧化碳「變廢為寶」
    導讀：基於太陽能的人工光合作用可以將二氧化碳轉化為化學能源，然而催化劑的效率和穩定性一直是限制其得以廣泛應用的主要因素。9月9日，《自然》（Nature）在線發表了武漢大學在人工光合作用領域的最新研究成果。該研究系統探究了MOF介孔孔道定製TiO2生長的理論機制，最終實現了半導體納米材料在MOF中的無損填充。
  • 武漢大學Nature：人工光合作用讓二氧化碳「變廢為寶」
    格林威治時間9月9日，《自然》（Nature）在線發表了武漢大學在人工光合作用領域的最新研究成果。該研究系統探究了MOF介孔孔道定製TiO2生長的理論機制，最終實現了半導體納米材料在MOF中的無損填充。兩種材料特性的高效協同，將拓展出一系列新型的人工光合作用催化劑。
  • 楊培東的偉大成就:研發人工光合作用,讓二氧化碳變成汽油、藥品
    到目前為止，我們指的人工光合作用技術是指研究人員仿效自然界的光合作用，利用納米大小的光感應材料將光能轉換成電能，由此產生氧化還原酶反應。簡而言之，這是一種利用光能生成精密化學物質的技術。　　通過做銅的納米科技做二氧化碳的還原，催化的機理方面完全是無機體系，使用太陽能，用半導體納米導線做光吸收，用金屬的納米粒子做催化，人工用全合成的催化劑來完成。　　楊培東預計從太陽能到化學能轉化也能夠達到3%-4%，將比大自然的轉化率為0.38%高出整整十倍，這個過程當中，二氧化碳能夠變成乙烯、乙醇或者是丙烯，這樣一個過程。整個二氧化碳還原了，把它儲存到化學鍵當中。
  • Nature二氧化鈦有望讓人工光合作用讓二氧化碳「變廢為寶」
    格林威治時間9月9日，《自然》（Nature）在線發表了武漢大學在人工光合作用領域的最新研究成果。該研究系統探究了MOF介孔孔道定製TiO2生長的理論機制，最終實現了半導體納米材料在MOF中的無損填充。兩種材料特性的高效協同，將拓展出一系列新型的人工光合作用催化劑。
  • 【工業之美】對抗全球氣候變暖 人工光合作用可將二氧化碳轉變為塑料
    為了延緩全球變暖，科學家們正在研究如何減少大氣中已有的二氧化碳含量，這其中包括了「人工光合作用」。植物可以利用太陽能將二氧化碳和水轉化成碳水化合物。人工光合作用仿效自然界的光合作用，利用納米大小的光感應材料，將光能轉換成電能，由此產生氧化還原酶反應，將空氣中的水和二氧化碳轉化為相應的化學物質。
  • 科學家最新研究發現，細菌有望通過人工光合作用生產太陽能
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】美國研究人員強迫將金納米顆粒餵給非光合細菌。熱乙酸穆爾氏菌通常不能進行光合作用。從研究美國加州大學伯克利分校(加州大學伯克利分校)加入硫化鎘納米粒子對細菌的細胞膜的外部。硫化鎘可以吸收光。當嫁接到細菌上時，它們充當了能夠進行人工光合作用的半導體。熱乙型支原體-CdS能夠將陽光和二氧化碳轉化為可用能量。加州大學伯克利分校的同一個團隊進一步研究了他們。他們想提高細菌的人工光合作用的效率。
  • 德藉助人工光合作用高效固定空氣中的二氧化碳
    （原標題：德藉助人工光合作用高效固碳） 據新華社北京
  • 「人工光合作用」系統進入2.0版,將二氧化碳變廢為寶指日可待
    在過去近十年的時間裡，楊培東實驗室的科研人員一直在研究一個將微生物與非生物材料相結合的「循環系統」。該系統可以通過吸收太陽能，將二氧化碳和水轉化為有機分子的基本成分——這也被人們稱之為「人工光合作用」。在 2015 年，楊培東實驗室成功研發出第一代「人工光合作用」系統，而就在近日，他們推出了更為優秀的「2.0 版本」。
  • 「人工光合作用」系統進入2.0版，將二氧化碳變廢為寶指日可待
    在過去近十年的時間裡，楊培東實驗室的科研人員一直在研究一個將微生物與非生物材料相結合的「循環系統」。該系統可以通過吸收太陽能，將二氧化碳和水轉化為有機分子的基本成分——這也被人們稱之為「人工光合作用」。在 2015 年，楊培東實驗室成功研發出第一代「人工光合作用」系統，而就在近日，他們推出了更為優秀的「2.0 版本」。
  • 美國科學院院士楊培東做客中國科大「大師論壇」
    楊培東課題組使用高比表面的三維結構替代二維平面半導體結構，在陰極採用矽納米線陣列，並以氧化鈦納米線作為陽極，在表面上修飾催化劑後實現了單光源的人工光合器件。　　之後，楊培東又指出真正的挑戰是二氧化碳還原的催化劑設計，尤其是考慮到在光催化反應體系中二氧化碳還原和光解水的強烈競爭關係。在楊培東課題組已實現二氧化碳還原較高的選擇性前提下，如何實現多電子轉移過程便成為了另一難題。
  • 蓋茨看好人工光合作用,或將為下一代提供可再生能源
    然而，除了太陽可能是人們提到太陽時首先想到的能源之外，還有另一種利用太陽能量的方法：光合作用。光合作用是植物利用太陽的能量將二氧化碳和水轉化為葡萄糖的過程。多年來，科學家們一直試圖複製這一過程，最終的結果是電而不是葡萄糖，他們取得了一些顯著的成功，儘管這些都包含在實驗室裡。那麼，人工光合作用是如何工作的呢？首先，它使用太陽能電池而不是葉綠素來吸收陽光並將其轉化為電能。
  • 前沿科技：細菌有望通過人工光合作用生產太陽能
    美國研究人員強迫將金納米顆粒餵給非光合細菌。貴金屬的位的發行給微生物以打開光進入太陽能燃料的能力，報告一個Nanowerk文章。熱乙酸穆爾氏菌通常不能進行光合作用。從研究美國加州大學伯克利分校(加州大學伯克利分校)加入硫化鎘納米粒子對細菌的細胞膜的外部。硫化鎘可以吸收光。當嫁接到細菌上時，它們充當了能夠進行人工光合作用的半導體。熱乙型支原體-CdS能夠將陽光和二氧化碳轉化為可用能量。
  • 楊培東的「人工光合作用」系統進入2.0版,將二氧化碳變廢為寶指日...
    在過去近十年的時間裡，楊培東實驗室的科研人員一直在研究一個將微生物與非生物材料相結合的「循環系統」。該系統可以通過吸收太陽能，將二氧化碳和水轉化為有機分子的基本成分——這也被人們稱之為「人工光合作用」。
  • 前沿科技:細菌有望通過人工光合作用生產太陽能
    北極星太陽能光伏網訊:美國研究人員強迫將金納米顆粒餵給非光合細菌。貴金屬的位的發行給微生物以打開光進入太陽能燃料的能力，報告一個Nanowerk文章。熱乙酸穆爾氏菌通常不能進行光合作用。從研究美國加州大學伯克利分校(加州大學伯克利分校)加入硫化鎘納米粒子對細菌的細胞膜的外部。硫化鎘可以吸收光。
  • [趣味化學]太陽能分解水研究的回顧
    自地球上出現生命以來，太陽即以萬物之母的寬大胸懷，通過光合作用把她的溫暖灑向大地撫育著萬物生長。　　光合作用是綠色植物和藻類在可見光作用下將二氧化碳和水轉化為碳水化合物的過程，人類賴以生存的能源和材料都直接和間接地來自光合作用。石油、煤和天然氣等化石燃料就是自然界遺留給我們的光合作用產物。七十年代初，由於石油短缺引起的能源危機，極大地激發了人們對光合作用及其模擬的研究興趣。
  • 武漢大學在《自然》發表「人工光合作用」最新研究成果!
    格林威治時間9月9日《自然》（Nature）在線發表了武漢大學在人工光合作用領域的最新研究成果，趕緊和珞珞珈珈一起走近這群科研人。論文題為「二氧化鈦在金屬有機框架中介孔的填充及二氧化碳光還原」（Filling metal–organic framework mesopores with TiO2 for CO2 photoreduction）。
  • 人工光合作用還原二氧化碳能量效率首破20%—新聞—科學網
    上海科技大學物質科學與技術學院林柏霖課題組通過新型電極的構造和系統工程優化，首次開發出了太陽能到化學能的能量轉換效率超過20%的CO2還原人工光合作用系統
  • 楊培東發明的人工光合作用 讓移民火星現曙光
    很快，楊培東團隊吸引到了NASA（美國國家航空航天局）的注意，因為這項技術為人類火星移民帶來了希望。但人工光合作用的價值遠不止於此，它將有效地減緩全球變暖以及對非可再生資源的依賴。　　楊培東接受長城會《千秒》專訪，深度解讀了人工光合作用複雜的演變過程，提示了人工光合作用可以超越自然界光合作用背後的隱秘推動力。
  • 【中國科學報】人工光合作用讓二氧化碳「變廢為寶」
    二氧化碳（CO2）在所有溫室氣體中含量最高。如何減少其濃度，或是能否有種辦法將其「變廢為寶」？這一直是中國科學院理化技術研究所研究員吳驪珠團隊希望克服的難題。　　近日，吳驪珠團隊首次報導了將太陽能驅動的CO2還原和有機氧化反應相結合的實例。對於論文能刊發在《細胞》雜誌子刊Chem上，她抑制不住內心的喜悅。