人工光合作用：从水分解到CO2还原

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人工光合作用：从水分解到CO2还原
                               
                               



图片来源：Dexter Johnson

人工光合作用商业化的道路一直非常坎坷。像“人造叶片”这样的故事早在2001年就被媒体大肆炒作，但是该技术的初始研发公司——Sun Catalytix——在2012年明确知道不可能在这个方向获得更多经济利益后，很快就放弃了他们的商业企划。

而在此期间也有其他公司兴起，比如Hypersolar，继续尝试着使他们的技术商业化。这个科研团体的运气似乎很不错，极大地推进了光电化学还原方面的基础科学研究。

光电化学还原的科学研究大部分是由美国能源部人工光合作用联合中心(JCAP)主持开展的。IEEE Spectrum近期采访了JCAP在伯克利国家实验室北方分部的科研人员。（南方分部在帕萨迪纳的加尼福尼亚理工学院）我们探讨了目前科技发展的现状、未来的发展方向以及纳米技术在光电化学还原发展中所起到的作用。

JCAP成立于2010年。最初这是美国能源部一个五年合约下的项目，旨在实现仅用阳光、水和二氧化碳生成氢气和碳基燃料的宏伟蓝图。2015年双方续签了五年。

“在第一个五年里，我们的目标非常明确，那就是哪种类型的人工光合作用是我们可以真正实现的。”JCAP北方分部科研副主任Frances A. Houle解释道，“最开始我们主要研究水分解成功地实现了我们的目标。”

Houle说JCAP研究的工艺达到了至少10%的氢效率。氢效率是指从化学能源与太阳能的产能功率比例。这些设备不仅表现出了高水平的稳定性和持久性，并且它们也有望建成大规模集成设备。Houle指出一些实验子系统已经达到18%的氢效率，不过这些设备和JCAP的现有设备截然不同。

“我们的系统不仅能够分解水，还能完全分离产物”，Houle解释道，“一般水分解的过程中会同时生成氢气和氧气，也就是一种爆炸性混合物。所以，我们设计设备时在系统内嵌入了膜。这样就可以在高效分解水的同时还能够得到完全分离的产物。”

在第一个五年后，JCAP开始采用技术成熟度(TRL)评估技术进展。TRL有十个等级，从1到10。其中1级代表基础研究阶段，10级代表技术已经成熟，可以进行生产部署了。

JCAP的水分解研究被评估为TRL 3级，即实验设备已经证明实际可用，不再是基础科学研究。Houle说，TRL 3级阶段表明设备即将转入发展阶段，由能效和可再生能源(EERE)办公室资助开发。

自2015年开始，JCAP的职责就变成了研究通过如何光电化学法而非电解法还原二氧化碳。“这是一个极为有挑战性的长期研究，和此前的研究完全不同，”Houle说。

还原二氧化碳的任务要远比分解水复杂，发展之路也更困难。二氧化碳还原的主要难题是：当你希望该过程只产生某一种特定燃料，比如乙醇时，反应过程常常会产生一系列产物。JCAP开展该项目时间还不久，目前还没有发表相关文章。

同时，水分解方面的最新研究已经在《自然 材料》上发表：研究人员在用于人工光合作用的半导体上设计添加了水分解催化剂。

关于该研究领域的一点小背景：半导体材料拥有特殊的带隙。当被高于带隙能量的光子撞击时，半导体带隙可以产生电子-空穴对。这就是在光伏器件中半导体材料将太阳能转化为电能的原因，也是光电化学还原的基本原理。

那篇文章和其他相关工作中的半导体制备和表征由Francesca Maria Toma(JCAP主要研究员)和她的同事Jason Cooper(JCAP科研员)完成。准确来说，他们一直在研究硅、III-V族半导体和金属氧化物半导体在人工光合作用方面的作用。

“其实我们正在努力通过使用金属氧化物半导体来降低封装成本，并不断改良它们的性能，同时弄清楚这种新型材料可能存在的缺陷。目前我们还没有完全弄清楚这种材料的性质。相比于像硅这样理论清晰的传统体系，新型材料器件更容易出现毛病，”Cooper说道。

Toma解释说，他们正在使用电子来分解水或还原CO2，但是目标是在电池内部实现该反应，也就是空穴可以被用在氧化反应极上。“他们通过观察纳米材料在受限环境中的表现实现反应。具体来讲，我们目前正在攻克的方向是利用氧化铜等光吸收剂，同时使其纳米结构化，从而获得更高的光电流，”Toma说，“在这种方式下反应几率会更高，因为光电流更多。我们还研究了制备受限环境。在受限环境里可以植入纳米颗粒或者界面从而便于我们观察反应进行的过程。”

Toma、Cooper及其在JCAP的同事已经开发出多种在建的设备架构。他们搭建了一个装备齐全、可以自动移动到太阳下生成氢气和氧气的设备。该设备使用可商业化的、高效的半导体材料。这些半导体材料组装稳定，可以保护材料免受水化学氧化或还原过程中出现的苛性溶液腐蚀。

回顾先前Houle解释的内容，Cooper承认在生产像这样的设备时他们主要的工作是将半导体从苛性溶液中分离出来。“那也是项目的一个攻克目标：如何搭载并封装这些高效设备，使其能够稳定产生数小时的大量气泡”，Cooper说。

在这种配置下，研究人员使用了搭载催化剂网格的环氧树脂分离装置。因此半导体上产生的电子能够被牵引到催化剂层上，再转入溶液里。

使用环氧树脂实质上牺牲了空间效率。所以为了解决这个问题，研究人员又采用了原子层沉积法（ALD），将环氧树脂层的厚度削减到了4纳米。这些极薄层和硅结合在一起，使得催化剂本身充当保护层成为可能。

目前全部这些成果和不少正待发表的工作，都是分解水这一课题下的产物。现在研究正在转向还原二氧化碳，所以，研究方向也在转变。不过迄今为止积累的研究经验仍然可以用于二氧化碳还原的研究，虽然前路可能困难重重。

Toma补充道：“这并不意味着我们需要去了解一个我们专业之外的全新领域，因为我们的科研背景对于理解二氧化碳还原仍然有很大帮助。它们的反应过程到底是相似的。”


本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。

（翻译：赵小娜；审校：杨玉洁）