近日，美國UCB大學(xué)下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室領(lǐng)銜國際團隊，在《自然催化》期刊發(fā)表突破性研究，展示了一種基于太陽能驅(qū)動的全集成人工光合系統(tǒng)，該技術(shù)通過創(chuàng)新材料設(shè)計與仿生策略，首次實現(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)老師一起來看看吧!
一、研發(fā)過程
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教授團隊深入研究了植物葉片中的自然過程。葉片光合作用元件的每個獨立組成部分都需要被人工復(fù)現(xiàn)和改進。
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)，他們設(shè)計出由銅制成、形似微型花朵的電催化劑。
此前實驗已成功通過生物材料實現(xiàn)光合作用模擬，但本次研究創(chuàng)新性地引入無機材料銅。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)計提供了更耐用、穩(wěn)定且持久的解決方案。
項目研究人員主導(dǎo)開發(fā)了該裝置的正負(fù)極組件。借助Berkeley Lab分子鑄造廠的先進儀器，團隊成功將金屬接觸點集成到裝置中。在實驗室測試中，研究人員使用模擬恒定強光的太陽模擬器來驗證新裝置的選擇性。
多個研究團隊的前期創(chuàng)新使光陽極室能夠進行有機氧化反應(yīng)，并在光陰極室生成C2產(chǎn)物。這項突破在一個郵票大小的裝置中構(gòu)建出真實的人造葉片結(jié)構(gòu)——僅利用陽光就能將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值產(chǎn)品，從塑料聚合物到飛機等尚無法使用電池驅(qū)動的大型交通工具燃料?；谔柲茯?qū)動的全集成人工光合系統(tǒng)的這一基礎(chǔ)研究突破，Peidong Yang教授團隊目前致力于提升系統(tǒng)效率、擴大人造葉片尺寸，以推動該方案的規(guī)?；瘧?yīng)用。
二、團隊介紹
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)及計算科學(xué)。全球科研人員借助其實驗室世界級的科研設(shè)施開展前沿研究。自1931年創(chuàng)立以來，其科學(xué)家已榮獲16項諾貝爾獎。
Berkeley Lab的研究團隊與國際合作者，在利用太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料及其他高價值化學(xué)品的道路上邁出重要一步。研究團隊首次展示了一個自主運行的碳-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。這項突破基于超過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)陽光聯(lián)盟”(LiSA)重大計劃。由美國能源部資助項目、美國加州理工學(xué)院(California Institute of Technology，簡稱 Caltech)牽頭，與Berkeley Lab密切合作，匯聚了來自SLAC國家加速器實驗室、國家可再生能源實驗室等國家級實驗室，以及美國加州大學(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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