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光合作用光解水轉(zhuǎn)化效率-突破20%
發(fā)布時(shí)間：2022-11-07 瀏覽量：2880
上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授林柏霖課題組通過(guò)新型電極的構(gòu)造和系統(tǒng)工程優(yōu)化，首次開(kāi)發(fā)出了太陽(yáng)能到化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20%的二氧化碳還原人工光合作用系統(tǒng)。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《材料化學(xué)雜志A》。
植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電勢(shì)能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一系列生化反應(yīng)，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成含碳的能量載體和氧氣，這是碳基生物利用能源和碳物質(zhì)的核心基礎(chǔ)過(guò)程。但自然光合作用中太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率太低，雖然理論值最高可達(dá)8%，但實(shí)際上光解水一般小于1%，而人工光合作用的最高能量轉(zhuǎn)換效率也不到18%。
林柏霖課題組創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了一種在納米多孔聚丙烯膜上負(fù)載納米多層級(jí)孔銀的一體化薄膜電極，可實(shí)現(xiàn)高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的二氧化碳電還原。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，這種納米多級(jí)孔結(jié)構(gòu)不僅可以增加活性位點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)也突破了前人報(bào)道的基于薄膜電極的三相界面擴(kuò)散極限的限制，從而在低過(guò)電勢(shì)下實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的二氧化碳電還原分電流密度和一氧化碳的選擇性。
“通過(guò)定量系統(tǒng)工程分析發(fā)現(xiàn)，該電極如果與目前最先進(jìn)的太陽(yáng)能電池搭配，可以充分利用太陽(yáng)能電池的光電流，預(yù)計(jì)太陽(yáng)能到化學(xué)能的光解水最高轉(zhuǎn)換效率約為25%?！绷职亓馗嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，他們同時(shí)將該電極與課題組開(kāi)發(fā)的鎳鐵基陽(yáng)極相結(jié)合，與商業(yè)化的太陽(yáng)能電池相匹配，開(kāi)發(fā)出了基于二氧化碳還原的人工光合作用系統(tǒng)。
該系統(tǒng)在28小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，其太陽(yáng)能到化學(xué)能最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了約20.4%，全程平均能量轉(zhuǎn)換效率為20.1%，超過(guò)了目前所有已知的二氧化碳還原人工光合作用系統(tǒng)。
林柏霖表示，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)人工光合作用系統(tǒng)的進(jìn)一步突破具有指導(dǎo)意義。
