能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學家們利用光合作用的力量將二氧化碳轉化為燃料和酒精，其效率遠高于植物。這一成就標志著邁向可持續(xù)燃料來源的重要里程碑。

許多系統(tǒng)已經成功地將二氧化碳還原成化學和燃料前體，例如一氧化碳或稱為合成氣的一氧化碳和氫的混合物。在能源與環(huán)境科學期刊上發(fā)表的一項研究中描述的這項新工作是第一個成功展示從二氧化碳直接轉向目標產品(即乙醇和乙烯)的方法，其能量轉換效率可與自然對應物相媲美。

研究人員通過優(yōu)化光伏電化學系統(tǒng)的每個組件來減少電壓損失，并在現有材料不足時創(chuàng)造新材料。

“這是一個令人興奮的發(fā)展，”研究首席研究員喬爾·阿格說，他是伯克利實驗室的科學家，在材料科學和化學科學部門有聯合任命。“由于上升的大氣CO 2水平的改變地球的氣候，需要發(fā)展電力的可持續(xù)發(fā)展的資源已經變得越來越迫切。我們在這里的工作表明，我們必須直接從太陽光使燃料的可行路徑。”

太陽能燃料路徑是人工光合作用聯合中心(JCAP)的主要目標之一，該中心是2010年成立的DOE能源創(chuàng)新中心，旨在推進太陽能燃料研究。該研究在JCAP的伯克利實驗室校園進行。

JCAP研究的最初重點是解決光合作用過程中水的有效分裂問題。在很大程度上利用幾種類型的設備完成了這項任務后，JCAP科學家在太陽能驅動的二氧化碳減排方面開始著眼于實現與水分解相似的效率，許多人認為這是人工光合作用的下一個重大挑戰(zhàn)。

伯克利實驗室的另一個研究小組正在通過關注光伏電化學系統(tǒng)中的特定組件來應對這一挑戰(zhàn)。在今天發(fā)表的一項研究中，他們描述了一種新的催化劑，它可以使用創(chuàng)紀錄的低能量輸入實現二氧化碳轉化為多碳轉化。

不只是中午

對于這項JCAP研究，研究人員設計了一套完整的系統(tǒng)，可以在一天中的不同時間工作，而不僅僅是在1日照射的光能水平下，這相當于晴天中午的亮度峰值。它們改變了光源的亮度，表明即使在低光照條件下系統(tǒng)仍然保持高效。

當研究人員將電極耦合到硅光伏電池時，它們實現了3到4%的太陽能轉換效率，適用于0.35到1太陽光照射。將配置改為串聯連接的高性能串聯太陽能電池，在1日照射下，碳氫化合物和含氧化合物的轉換效率超過5%。

“當我們達到5%時，我們在實驗室里做了一點舞蹈，”Ager說，他還兼任加州大學伯克利分校材料科學與工程系的兼職教授。

研究人員開發(fā)的新組件包括銅 - 銀納米環(huán)氧陰極，它將二氧化碳還原為碳氫化合物和含氧化合物，以及氧化銥納米管陽極，氧化水并產生氧氣。

“納米糖醇的優(yōu)點在于，與植物一樣，它可以在很多條件下制造目標產品，而且非常穩(wěn)定，”Ager說。

研究人員在伯克利實驗室的DOE科學用戶設施分子鑄造廠分析了國家電子顯微鏡中心的材料。結果幫助他們了解金屬在雙金屬陰極中的作用。具體而言，他們了解到銀有助于將二氧化碳還原成一氧化碳，而銅從那里吸收，以進一步減少一氧化碳到碳氫化合物和醇。

尋求更好，低能量的分手

因為二氧化碳是一種固執(zhí)的穩(wěn)定分子，所以分解它通常需要大量的能量輸入。

“減少CO 2的烴的最終產物，如乙醇或乙烯最多需要5伏，從開始到結束，”研究主要作者Gurudayal，伯克利實驗室博士后說。“我們的系統(tǒng)減少了一半，同時保持了產品的選擇性。”

值得注意的是，電極在水，中性pH環(huán)境中運行良好。

“關于陽極工作研究組大多可能會使用堿性條件，因為陽極通常需要高的pH值的環(huán)境中，這是不理想的CO的溶解度2，” Gurudayal說。“找到一種在中性條件下工作的陽極非常困難。”

研究人員通過在氧化鋅表面上生長氧化銥納米管來定制陽極，以產生更均勻的表面積，從而更好地支持化學反應。