近期，物理學(xué)院光驅(qū)動(dòng)碳中和研究團(tuán)隊(duì)在大規(guī)模人工光合作用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)工作“A Ni-O-Ag photothermal catalyst enables 103-m² artificial photosynthesis with >17% solar-to-chemical energy conversion efficiency”以河北大學(xué)為第一單位發(fā)表在《Science Advances》（IF=13.6, 2024）。李亞光博士為論文第一作者兼通訊作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟慶波研究員為共同通訊作者。

光伏發(fā)電具有明顯的波動(dòng)性，這會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。科學(xué)家模擬光合作用，開(kāi)發(fā)了光伏電催化CO₂資源化技術(shù)，即利用光伏電能驅(qū)動(dòng)CO₂轉(zhuǎn)換為化工產(chǎn)品。但是該技術(shù)只能做到1m²量級(jí)的示范，并且電極材料成本較高。在前期的工作中，李亞光博士與孟慶波研究員聯(lián)合提出了光伏電催化分解水-光熱CO₂加氫耦合的新型人工光合作用系統(tǒng)這一設(shè)想。在此基礎(chǔ)上，李亞光課題組開(kāi)發(fā)了Ni-O-Ag光熱催化劑，使得該系統(tǒng)能夠在低密度太陽(yáng)光輻照下運(yùn)行；并在河北大學(xué)生命科學(xué)與綠色發(fā)展研究院的資助下，構(gòu)建了100平方米量級(jí)的新型人工光合作用系統(tǒng)示范。

本工作中，李亞光課題組合成了Ag單原子負(fù)載NiO納米片（2D Ni₁Ag_0.02O₁），原位DRIFTS和理論計(jì)算表明，CO₂在2D Ni₁Ag_0.02O₁的不對(duì)稱(chēng)吸附增強(qiáng)了CO₂的活化能力，這使得2D Ni₁Ag_0.02O₁催化劑在室外低密度太陽(yáng)光輻照下展現(xiàn)出高效的光熱逆水煤氣反應(yīng)，在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照下，其CO產(chǎn)率達(dá)到1065 mmol g^-1 h^-1。基于2D Ni₁Ag_0.02O₁催化劑輔助的光熱CO₂加氫系統(tǒng)和商用的光伏電解水制氫系統(tǒng)，李亞光課題組與孟慶波課題組聯(lián)合研制了光照面積達(dá)到103平方米的人工光合作用系統(tǒng)示范。該示范能夠擺脫電網(wǎng)依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)全離網(wǎng)運(yùn)行；在自然太陽(yáng)光輻照下，能夠?qū)O₂和H₂O轉(zhuǎn)換為綠色合成氣，其產(chǎn)量達(dá)到~22m³/天，H₂/CO比可以調(diào)整為0.4-3，平均太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率為17.0%。這項(xiàng)工作顯示了光伏-光熱耦合技術(shù)在人工光合作用領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為光驅(qū)動(dòng)碳中和領(lǐng)域的深度開(kāi)發(fā)提供了一條可行的路徑。

以上工作得到河北省自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、河北省科技廳、河北省教育廳、河北大學(xué)自然科學(xué)多學(xué)科研究項(xiàng)目、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基金項(xiàng)目、中科院等資助以及河北大學(xué)物理學(xué)院公共測(cè)試中心的大力支持。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5098

(物理學(xué)院、科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院 供稿)