人工光合作用的研究：美國能源部從光解水轉向還原二氧化碳

人工光合作用的商業化是一個曲折的過程，比如2011年大肆宣傳的所謂「人工葉子」的故事。由於經濟性的問題，該項技術的原創公司Sun Catalytix 在2012年就迅速放棄了商業化應用的計劃。

但是，進程相近的其他一些公司，比如Hypersolar，仍在繼續嘗試將其商業化。而科學界在光電化學還原領域似乎也還進展的比較順利的。

光電化學還原的研究主要集中在美國能源部人工光合作用聯合中心（JCAP）。JCAP共有兩個分部，分別是位於伯克利國家實驗室的和加州理工學院。

前不久， 科技媒體IEEE Spectrum 採訪了伯克利國家實驗室分部的研究人員，主要討論了到以下幾個問題：

光電化學還原技術的現狀；

未來發展；

納米材料在發展過程中所起到的作用。

JCAP成立於2010年，是基於與美國能源部簽署的一個5年合作協議，旨在發展以太陽光、水、CO2作為原料的氫燃料和碳基燃料。2015年，在上述協議的基礎上，雙方又簽署了另一個5年合作計劃。

JCAP 北方分部的副主任佛朗西斯?霍爾（Frances A. Houle）解釋說，「第一個5年合作計劃的主要任務是探索哪種類型的人工光合作用是我們能夠真正實現的。我們首先研究了水分解制氫，結果很成功，實現了我們的目標。」

霍爾說，「我們研究的產氫裝置，其產氫效率達10%，同時具備高的穩定性和持久性，有望製備大規模集成裝置。雖然有些其他的系統得到了18%的產氫效率，但它們與JCAP的系統完全不一樣。

不同之處在於，我們的系統不但可以分解水，還可以把產物分離開。通常來說，水分解會同時得到氫氣和氧氣，這是一種易爆易燃的混合物。我們在裝置里嵌入了分離膜，由此在獲得高效率的同時將產物分離。」

圖 | JCAP 北方分部的副主任佛朗西斯?霍爾（Frances A. Houle）

第一個5年計劃之後，JCAP開始採用技術成熟度（TRL）進行技術進展的評估。TRL共有10個等級，其中TRL-1代表基礎研究，TRL-10代表技術已成熟，可以進行商業化生產。

JCAP的光解水技術達到了TRL-3等級，即實驗裝置示範階段，不再是基礎科學研究階段。霍爾說，到達TRL-3等級後，表示技術已經過渡到發展階段，將會在能效和可再生能源辦公室基金的支持下開展後續工作。

2015年以來，JCAP承擔的任務重點轉向了利用光電化學方法還原CO2。這是一項非常有挑戰性的長期研究，而且與之前的研究差別較大。與光解水相比，CO2還原的研究工作更加繁重。

CO2還原反應會有很多產物，如何選擇性地獲取某種特定的產物作為燃料（比如甲醇），是最大的難點。目前JCAP尚未發表該方面的研究成果。

但是，在這期間，光解水方面有新的研究成果發表在《自然材料》期刊上，內容是利用半導體材料製備了一種光解水用催化劑。半導體材料具有帶隙，當受到能量高於其帶隙的光子撞擊時，就會產生電子-空穴對，進而產生電流。這就是光電器件如何把太陽能轉化為電能的原理，也是光電化學還原的基礎原理。

這項工作主要是由佛朗西斯?瑪利亞?托瑪（Francesca Maria Toma，JCAP的主要負責人）和她的同事傑森?庫伯（Jason Cooper，JCAP的高級研究員）完成的，文章報道了半導體的製備和表徵。

另外，他們還對比了不同的半導體材料體系，比如硅、 III-V半導體、金屬氧化物半導體。庫伯解釋到，「實際上，我們嘗試利用金屬氧化物半導體來降低整個裝置的成本，提高其性能，並研究新材料體系的局限性，因為目前尚未有相關的理論以及研究結果。」

托瑪表明， 他們是在電池環境下進行的相關研究，希望由此研究納米材料在受限環境中的性能。值得一提的是，他們嘗試利用吸光材料比如氧化銅，通過製備納米結構的氧化銅來提高光電流，進而提高反應進程。

他們嘗試了很多種不同結構，才得到了最終的裝置。這款裝置經濟性高，效率高，耐腐蝕性強，暴露在太陽光中，產生氫氣和氧氣。其實，這個項目的目標之一就是製備高效穩定的裝置，並且其集成系統同樣具備高效率和高的穩定性。

他們利用了環氧樹脂作為分離器，將催化劑網格嵌入到其中。這樣的話，半導體產生的電子可以傳輸到催化劑層，並進入到溶液中。其中，環氧樹脂是利用原子層沉積的方法沉積在矽片上，厚度只有4nm。

目前JACP的研究人員已經轉向了CO2還原的研究方向。雖然之前的研究方向主要是水分解反應，但是有些經驗對於CO2還原也是適用的。

托瑪也表示，「我們並不是進入一個全新的領域，因為我們的專業背景對於CO2還原的研究同樣是非常重要的，一些研究過程是相似的。」

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