物理学院光驱动碳中和研究团队在人工光合作用领域取得重要进展

 近期，物理学院光驱动碳中和研究团队在大规模人工光合作用领域取得重要进展，相关工作“A Ni-O-Ag photothermal catalyst enables 103-m² artificial photosynthesis with >17% solar-to-chemical energy conversion efficiency”以河北大学为第一单位发表在《Science Advances》（IF=13.6, 2024）。李亚光博士为论文第一作者兼通讯作者，中国科学院物理研究所孟庆波研究员为共同通讯作者。

光伏发电具有明显的波动性，这会影响电力系统的稳定。科学家模拟光合作用，开发了光伏电催化CO₂资源化技术，即利用光伏电能驱动CO₂转换为化工产品。但是该技术只能做到1m²量级的示范，并且电极材料成本较高。在前期的工作中，李亚光博士与孟庆波研究员联合提出了光伏电催化分解水-光热CO₂加氢耦合的新型人工光合作用系统这一设想。在此基础上，李亚光课题组开发了Ni-O-Ag光热催化剂，使得该系统能够在低密度太阳光辐照下运行；并在河北大学生命科学与绿色发展研究院的资助下，构建了100平方米量级的新型人工光合作用系统示范。

本工作中，李亚光课题组合成了Ag单原子负载NiO纳米片（2D Ni₁Ag_0.02O₁），原位DRIFTS和理论计算表明，CO₂在2D Ni₁Ag_0.02O₁的不对称吸附增强了CO₂的活化能力，这使得2D Ni₁Ag_0.02O₁催化剂在室外低密度太阳光辐照下展现出高效的光热逆水煤气反应，在标准太阳光辐照下，其CO产率达到1065 mmol g^-1 h^-1。基于2D Ni₁Ag_0.02O₁催化剂辅助的光热CO₂加氢系统和商用的光伏电解水制氢系统，李亚光课题组与孟庆波课题组联合研制了光照面积达到103平方米的人工光合作用系统示范。该示范能够摆脱电网依赖，实现全离网运行；在自然太阳光辐照下，能够将CO₂和H₂O转换为绿色合成气，其产量达到~22m³/天，H₂/CO比可以调整为0.4-3，平均太阳能-化学能转换效率为17.0%。这项工作显示了光伏-光热耦合技术在人工光合作用领域的应用潜力，为光驱动碳中和领域的深度开发提供了一条可行的路径。

以上工作得到河北省自然科学基金、国家自然科学基金、河北省科技厅、河北省教育厅、河北大学自然科学多学科研究项目、河北农业大学科研基金项目、中科院等资助以及河北大学物理学院公共测试中心的大力支持。

文献链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5098