世界紀錄！人工光合作用能量轉換率首破20%

2020-09-05 中國科大新創基金會

【中國科大新創校友基金會(ID:USTCIF)，全球最活躍的科大校友組織，實時發布科大要聞與校友資訊】

近日，上海科技大學物質科學與技術學院林柏霖（中國科大9819校友）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%的二氧化碳（CO2）還原人工光合作用系統，相關工作以「An Artificial Photosynthetic System with CO2-Reducing Solar-to-Fuel Efficiency Exceeding 20%」為題，在國際知名期刊《材料化學雜誌A》（《Journal of Materials Chemistry A》）上在線發表。

林柏霖（中國科大9819校友）

植物通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到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，人工光合作用可以通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CO2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CO2的減排，還可以將太陽能轉換成方便存儲的化學能，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。然而在本項工作之前，即使使用CO2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%。

圖1：基於CO2還原的人工光合作用系統的示意圖及其定量系統工程分析

林柏霖課題組創造性地開發了一種在納米多孔聚丙烯膜上負載納米多層級孔Ag的一體化薄膜電極（nmp-Ag），可同時在低過電勢下實現高活性、高選擇性和高穩定性的CO2電還原。該電極可在極低的過電勢下能夠將CO2高選擇性地還原為一氧化碳（CO）（40 mV時大約為80%，在90-290 mV時大約為100%）。在所有可能的CO2還原產物中，CO是每消耗單位能量具有最高的CO2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CO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。通過實驗和理論分析表明，這種納米多級孔結構不僅可以增加活性位點的數量，同時也突破了前人報導的基於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相對較高的CO2電還原分電流密度和CO的選擇性。

圖2：nmp-Ag薄膜電極的電化學還原CO2性能

林柏霖課題組通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CO2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CO2還原人工光合作用系統。

圖3：由商業太陽能電池提供能量的基於CO2還原的人工光合作用系統性能測試

此外，本項工作還通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。

林柏霖課題組的助理研究員肖彥軍和2017級博士研究生錢瑤為該研究工作的共同第一作者，林柏霖為通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。上科大物質學院分析測試平臺和電鏡中心給予了大力支持。

論文連結：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06714h

新聞來源：上海科技大學

【轉載請註明中國科大新創校友基金會。了解更多，請移步官方微信(ID:USTCIF)與網站（www.ustcif.org.cn）】

相關焦點

  • 人工光合作用能量轉換率首破20%
    人工光合作用能量轉換率首破20% 2020-08-20 中國科學報 黃辛 【字體：20%的二氧化碳還原人工光合作用系統。　　該系統在28小時的長時間測試過程中表現出良好的穩定性，其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。　　林柏霖表示，這一發現對未來人工光合作用系統的進一步突破具有指導意義。
  • 人工光合作用能量轉換率首破20%
    本報訊（記者黃辛）上海科技大學物質科學與技術學院教授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%的二氧化碳還原人工光合作用系統。相關成果近日在線發表於《材料化學雜誌A》。
  • 人工光合作用還原二氧化碳能量效率首破20%—新聞—科學網
    >還原人工光合作用系統，相關研究成果近日在線發表於《材料化學雜誌A》。 植物通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到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。
  • 破記錄！上海科大開發新型人工光合作用系統，能量轉換效率超20%
    受自然界光合作用的啟發，人工光合作用可以通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CO2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CO2的減排，還可以將太陽能轉換成方便存儲的化學能，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。
  • 人工光合作用能量轉換效率大幅提升
    人工光合作用能量轉換效率大幅提升 原標題： 　　本報訊（首席記者許琦敏）移民火星，人類或許不需要帶去植物，只需帶上一方方人工光合作用系統就行了。這或許也將改變人類對化石能源的依賴，遏制全球氣候變暖的趨勢。
  • 世界紀錄：上科大開發首個轉換效率過20%的二氧化碳人工光合系統
    近日，上科大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%的二氧化碳（CO2）還原人工光合作用系統，相關工作以「An Artificial Photosynthetic System with CO2-Reducing Solar-to-Fuel Efficiency Exceeding 20%」為題，在國際知名期刊《
  • 上海科大林柏霖課題組刷新人工光合作用能量轉換效率世界記錄
    近日，上海科技大學物質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%的二氧化碳（CO2）還原人工光合作用系統，相關工作以「An Artificial Photosynthetic System with CO2-Reducing Solar-to-Fuel Efficiency Exceeding
  • 楊培東:人工光合作用能解決地球上二氧化碳問題
    /Angela Chan 特聘講席教授，美國科學院院士，未來科學大獎科學委員會委員楊培東發表演講稱，綠色植物的能量轉換效率非常低，人工光合作用要學習大自然，但效率方面要進行提升。　　楊培東表示，光化學二極體一步步將系統集成在一塊，第一代轉化效率僅為0.4%，和植物的類似。人工光合作用經過了三代發展，太陽能轉化達到了8%-10%，原理上向大自然學習，但效率上已經提升很多。
  • 吳驪珠Chem綜述:固氮酶激發的人工光合固氮作用
    由於鐵催化的Haber-Bosch工藝和基於固氮酶的生物固氮提供了解決催化氮還原障礙的藍圖，人工光合作用在利用豐富的太陽能實現更可持續的環境N2化學轉化方面顯示出了廣闊的前景。其中不僅需要對催化劑進行更多的理解和專門的設計，而且還需要關注光生電子的連續傳遞和催化環境中多質子和N2轉移的動力學。
  • 科學網—「人工葉綠體」讓光合磷酸化更高效
    隨著對光合作用過程理解的不斷加深，越來越多的科研工作者開始模仿光合作用中的一系列過程，實現能量轉化，使得能量得以儲存、利用。 光合磷酸化，從光能到化學能 人類對於光合作用的認識在過去的兩百年中不斷加深。1779 年，荷蘭科學家 Jan Ingen housz發現光是起到使空氣變好的必要條件，打開了人類認識光合作用的大門。
  • 大自然能量轉換站—生物體
    化能合成作用利用體外環境中的特定無機物氧化時所釋放的能量，來製造有機物的合成作用。能夠進行化能合成作用是少數種類的細菌。光合作用（photosynthesis），即光能合成作用，是指綠色植物在可見光的照射下，經過光反應和碳反應（舊稱暗反應），利用光合色素，將二氧化碳和水轉化為有機物，同時將光能轉變為有機物中化學能，並釋放出氧氣的過程。
  • 轉換率28.9%!漢能砷化鎵薄膜電池再次刷新世界紀錄
    據世界三大再生能源研究機構之一的美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）認證，漢能Alta高端裝備集團 （以下簡稱「Alta」）的砷化鎵薄膜單結電池轉化效率達到28.9%，再次刷新世界紀錄。
  • 漢能高效矽異質結太陽能電池轉換率創新高 刷新世界紀錄
    漢能高效矽異質結太陽能電池轉換率創新高 刷新世界紀錄 2019-0824.85%，不僅刷新了其保持的中國紀錄，更超過了由日本Kaneka公司保持的原世界紀錄，成為6寸矽片SHJ電池新的世界冠軍。
  • 科學家開發出可以生產燃料的人工光合作用系統
    科學家開發出可以生產燃料的人工光合作用系統。圖片：伯克利實驗室這種產生能量的想法就像大自然一樣。這是一個複雜的系統，科學家多年來一直在嘗試複製植物的獨特技能，即利用陽光來產生燃料，利用二氧化碳和水為我們的房屋和車輛供電。
  • 硅藻光合作用結構原子水平三維結構首獲揭示
    硅藻光合作用結構原子水平三維結構首獲揭示來源：科學網 8-18記者日前從中科院植物所獲悉，由清華大學隋森芳院士率領的研究團隊與該所沈建仁研究員、匡廷雲院士率領的團隊合作，在國際上首次解析了一種中心綱硅藻——Chaetoceros gracilis的光系統II-捕光天線超級複合體的3.0 埃解析度的三維結構，為光合作用的理論計算和人工模擬光合作用研究提供了新理論依據
  • 美國託卡馬克聚變反應堆破世界紀錄
    原標題：美國託卡馬克聚變反應堆破世界紀錄 　　科技日報北京10月18日電 （記者張夢然）據美國麻省理工學院官方網站消息，該校科學家在阿爾卡特C-Mod（Alcator C-Mod）託卡馬克聚變反應堆實驗中創造出新的世界紀錄，等離子體壓強首次超過了兩個大氣壓。鑑於高壓等離子體是實現可控核聚變的關鍵因素，這意味著人類距獲得「取之不盡用之不竭」的清潔能源又近一步。
  • 「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
    關於該研究的論文發表在 3 月 31 日的 Joule 雜誌上，楊培東的「人工光合作用系統 2.0 版」創造了一個新的轉化效率紀錄：在長達一周的時間裡，實現高達 3.6% 的吸收太陽能轉化效率，完成由太陽能到化學能的轉換，並最終以乙酸鹽的形式儲存起來。此外，還能產生出氧氣。
  • 「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
    關於該研究的論文發表在 3 月 31 日的 Joule 雜誌上，楊培東的「人工光合作用系統 2.0 版」創造了一個新的轉化效率紀錄：在長達一周的時間裡，實現高達 3.6% 的吸收太陽能轉化效率，完成由太陽能到化學能的轉換，並最終以乙酸鹽的形式儲存起來。此外，還能產生出氧氣。DeepTech 為此專門採訪了楊培東教授，以進一步了解該研究背後的故事，以及他的未來計劃等。
  • 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...
    關於該研究的論文發表在 3 月 31 日的 Joule 雜誌上，楊培東的「人工光合作用系統 2.0 版」創造了一個新的轉化效率紀錄：在長達一周的時間裡，實現高達 3.6% 的吸收太陽能轉化效率，完成由太陽能到化學能的轉換，並最終以乙酸鹽的形式儲存起來。此外，還能產生出氧氣。
  • 世界紀錄新型CIGS太陽能電池轉換效率達23%
    從漢能移動能源官微獲悉，2019年9月14日，漢能旗下美國MiaSolé Hi-Tech Corp，與歐洲Solliance Solar Research公司聯合發布，其合作研發的新型柔性CIGS太陽能電池轉換效率達23%，是該項電池新的世界紀錄。