近日，美國(guó)UCB大學(xué)下屬的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜國(guó)際團(tuán)隊(duì)，在《自然催化》期刊發(fā)表突破性研究，展示了一種基于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的全集成人工光合系統(tǒng)，該技術(shù)通過(guò)創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)與仿生策略，首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳向碳-碳化學(xué)品的直接轉(zhuǎn)化，為開發(fā)可持續(xù)的“液態(tài)陽(yáng)光”燃料技術(shù)提供全新路徑。下面就隨托普仕留學(xué)老師一起來(lái)看看吧!
一、研發(fā)過(guò)程
UCB研究員(Berkeley Lab)材料科學(xué)部資深科學(xué)家、UC Berkeley化學(xué)與材料科學(xué)工程教授Peidong Yang表示，我們的靈感源于自然。為構(gòu)建模擬光合作用的系統(tǒng)，Peidong Yang教授團(tuán)隊(duì)深入研究了植物葉片中的自然過(guò)程。葉片光合作用元件的每個(gè)獨(dú)立組成部分都需要被人工復(fù)現(xiàn)和改進(jìn)。
基于數(shù)十年研究積累，科學(xué)家采用鹵化鉛鈣鈦礦光吸收材料模擬葉片中吸收光線的葉綠素;受自然界調(diào)控光合作用的酶結(jié)構(gòu)啟發(fā)，他們?cè)O(shè)計(jì)出由銅制成、形似微型花朵的電催化劑。
此前實(shí)驗(yàn)已成功通過(guò)生物材料實(shí)現(xiàn)光合作用模擬，但本次研究創(chuàng)新性地引入無(wú)機(jī)材料銅。雖然銅的選擇性低于生物材料方案，但這種金屬材料為人造葉片系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更耐用、穩(wěn)定且持久的解決方案。
項(xiàng)目研究人員主導(dǎo)開發(fā)了該裝置的正負(fù)極組件。借助Berkeley Lab分子鑄造廠的先進(jìn)儀器，團(tuán)隊(duì)成功將金屬接觸點(diǎn)集成到裝置中。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，研究人員使用模擬恒定強(qiáng)光的太陽(yáng)模擬器來(lái)驗(yàn)證新裝置的選擇性。
多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的前期創(chuàng)新使光陽(yáng)極室能夠進(jìn)行有機(jī)氧化反應(yīng)，并在光陰極室生成C2產(chǎn)物。這項(xiàng)突破在一個(gè)郵票大小的裝置中構(gòu)建出真實(shí)的人造葉片結(jié)構(gòu)——僅利用陽(yáng)光就能將CO?轉(zhuǎn)化為C2分子。
該裝置生產(chǎn)的C2化學(xué)品是眾多工業(yè)領(lǐng)域的前體原料，可衍生出日常生活中各類高價(jià)值產(chǎn)品，從塑料聚合物到飛機(jī)等尚無(wú)法使用電池驅(qū)動(dòng)的大型交通工具燃料?；谔?yáng)能驅(qū)動(dòng)的全集成人工光合系統(tǒng)的這一基礎(chǔ)研究突破，Peidong Yang教授團(tuán)隊(duì)目前致力于提升系統(tǒng)效率、擴(kuò)大人造葉片尺寸，以推動(dòng)該方案的規(guī)?；瘧?yīng)用。
二、團(tuán)隊(duì)介紹
Berkeley Lab專注于發(fā)現(xiàn)科學(xué)和開發(fā)可靠能源解決方案?？蒲蓄I(lǐng)域涵蓋材料科學(xué)、化學(xué)、物理、生物、地球與環(huán)境科學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算科學(xué)。全球科研人員借助其實(shí)驗(yàn)室世界級(jí)的科研設(shè)施開展前沿研究。自1931年創(chuàng)立以來(lái)，其科學(xué)家已榮獲16項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。
Berkeley Lab的研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)際合作者，在利用太陽(yáng)能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料及其他高價(jià)值化學(xué)品的道路上邁出重要一步。研究團(tuán)隊(duì)首次展示了一個(gè)自主運(yùn)行的碳-碳(C2)合成系統(tǒng)，該系統(tǒng)將銅的催化特性與光伏材料鈣鈦礦相結(jié)合。這項(xiàng)突破基于超過(guò)20年的研究積累，使科學(xué)界在模擬自然界綠葉生產(chǎn)效率方面更近一步。
該研究隸屬于“液態(tài)陽(yáng)光聯(lián)盟”(LiSA)重大計(jì)劃。由美國(guó)能源部資助項(xiàng)目、美國(guó)加州理工學(xué)院(California Institute of Technology，簡(jiǎn)稱 Caltech)牽頭，與Berkeley Lab密切合作，匯聚了來(lái)自SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室等國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室，以及美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校(UC Irvine)、加州大學(xué)圣地亞哥分校(UC San Diego)和俄勒岡大學(xué)(University of Oregon)等高校的100多位科學(xué)家。
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