近日，我校物质学院林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化，首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过20%的二氧化碳（CO2）还原人工光合作用系统，相关工作以“An Artificial Photosynthetic System with CO2-Reducing Solar-to-Fuel Efficiency Exceeding 20%”为题，在国际知名期刊《材料化学杂志A》（《Journal of Materials Chemistry A》）上在线发表。
植物通过光合作用把太阳能转换成电势能，进而驱动一系列生化反应把二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气，是碳基生物利用能源和碳物质的核心基础过程。但是自然光合作用中太阳能到化学能的转换效率太低，虽然理论值最高可以达到8%左右，但是实际上一般小于1%，因而消耗了大量的土地和水资源，难以满足人类社会面临的日益严峻的可持续发展挑战。受自然界光合作用的启发，人工光合作用可以通过光伏器件将太阳能转换成电能，再驱动电化学系统将水氧化成氧气，同时把CO2还原为含碳能量载体或者具有高附加值的产物。人工光合作用不仅可以实现CO2的减排，还可以将太阳能转换成方便存储的化学能，是实现人类可持续发展的一个关键策略，从上个世纪以来就吸引了全球科学家持续而广泛的研究兴趣。然而在本项工作之前，即使使用CO2电还原活性最高的金催化体系，太阳能到化学能的最高能量转换效率也不到18%。
图1. 基于CO2还原的人工光合作用系统的示意图及其定量系统工程分析。
林柏霖课题组创造性地开发了一种在纳米多孔聚丙烯膜上负载纳米多层级孔Ag的一体化薄膜电极（nmp-Ag），可同时在低过电势下实现高活性、高选择性和高稳定性的CO2电还原。该电极可在极低的过电势下能够将CO2高选择性地还原为一氧化碳（CO）（40 mV时大约为80%，在90-290 mV时大约为100%）。在所有可能的CO2还原产物中，CO是每消耗单位能量具有最高的CO2减排能力的产物之一。此外，工业界现有的成熟技术可以大规模地将CO转化为其它常用的燃料或高附加值产物，比如汽油和甲醇等。通过实验和理论分析表明，这种纳米多级孔结构不仅可以增加活性位点的数量，同时也突破了前人报道的基于薄膜电极的三相界面扩散极限的限制，从而在低过电势下实现相对较高的CO2电还原分电流密度和CO的选择性。
图2. nmp-Ag薄膜电极的电化学还原CO2性能
林柏霖课题组通过定量系统工程分析发现该电极如果与目前最先进的太阳能电池相搭配，可以充分利用太阳电池的光电流，预计可以实现太阳能到化学能的最高转换效率约为25%。之后，他们将该电极与课题组开发的镍铁基阳极相结合，在系统工程分析定量结果的指导下，与商业化的太阳能电池相匹配，开发出了基于CO2还原的人工光合作用系统，在28 小时的长时间测试过程中表现出良好的稳定性，整个系统的太阳能到化学能最高转换效率达到了约20.4%，全程平均能量转换效率为20.1%，超过了目前所有已知的CO2还原人工光合作用系统。
图3.由商业太阳能电池提供能量的基于CO2还原的人工光合作用系统性能测试。
此外，本项工作还通过定量系统工程分析揭示了在高效人工光合作用系统的构建中，相比于学界普遍关注的光电转换效率，太阳电池的光电流是当前更需要突破的关键指标，这一发现对未来人工光合作用系统的进一步突破具有重要的指导意义。
林柏霖课题组的助理研究员肖彦军和2017级博士研究生钱瑶为该研究工作的共同第一作者，林柏霖为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。上科大物质学院分析测试平台和电镜中心给予了大力支持。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta06714h