太阳可持续性和硅双倍的太阳能燃料研究

开发新一代由阳光激活的液体燃料的竞赛正在进行，耶鲁大学的研究人员正在帮助引领这一潮流。

在过去的十年中，旨在创造可持续的太阳能液体燃料的基础研究已经走到了十字路口。新型半导体材料可以有效地捕获阳光并催化二氧化碳转化为有价值的产品，例如液体燃料。然而，形成单一产品通常具有挑战性。分子催化剂可以由二氧化碳(CO2)形成单一产物，但不稳定。因此，许多科学家表示，这两种方法都不足以进行大规模生产。

但第三种方法现在正在出现。耶鲁大学太阳能混合方法中心(CHASE)的化学家正在将新的半导体材料与新的分子催化剂结合起来，形成更强大、更精简的工艺，这些工艺可以扩展以供更广泛的使用。

研究人员表示，最近两项研究中描述的这种有前途的新方法代表了一种“两全其美”的方法，它可能会带来改变游戏规则的替代燃料产品，这些产品具有去除空气中二氧化碳的额外好处。

耶鲁大学化学系研究生、其中一项研究的共同第一作者埃莉诺·斯图尔特-琼斯说：“这两篇论文都给了我很大的希望，混合方法能够发挥作用。”“我们肯定正在寻找新的方法来改善或增强反应性。”

CHASE是一个联邦政府资助的太阳能研究中心，由六家美国研究机构组成，总部位于北卡罗来纳大学教堂山分校，大约有十几名耶鲁大学教职员工和研究生。大通银行的使命是加速可能利用阳光、水、氮气和二氧化碳生产液体燃料的研究。

耶鲁大学的团队成员包括约翰·兰道夫·霍夫曼化学教授尼莱·哈扎里(NilayHazari);詹姆斯·梅尔(JamesMayer)，夏洛特·菲奇·罗伯茨(CharlotteFitchRoberts)化学教授;王海亮，化学教授，均来自文理学院。

王说：“看到我们的学生、博士后研究人员和合作机构的同事为这项工作所做的奉献，真是令人鼓舞。”“每一项新发现都让我们更接近开发实用太阳能燃料所需的技术。”

耶鲁大学的研究独创性是CHASE两项新研究的前沿和中心，这两项研究均发表在《美国化学会杂志》上。他们专注于硅基光电极——太阳能电池中吸收阳光并将其转化为电能的组件。

在耶鲁大学王实验室和埃默里大学连天全实验室领导的第一项研究中，研究人员构建了一个由硅微柱阵列组成的电极，电极上涂有一层超疏水氟化碳。

这种策略增加了整体电极表面积，并导致催化活性显着提高。耶鲁大学化学系研究生、该研究的共同第一作者BoShang表示：“我们看到了显着的提高，催化活性比硅光电极之前的记录高出17倍。”

该方法实现了有史以来最有效的基于硅的CO2光电催化将太阳光转化为甲醇的方法。甲醇是一种无色的替代液体燃料。

在第二项研究中，耶鲁大学实验室的Mayer和Hazari合作开发了一种涉及多孔硅薄晶片的工艺，多孔硅是一种蚀刻有称为纳米孔的通道的硅。研究人员将分子铼催化剂附着在这些电极晶片上。

“据我们所知，这是第一次将分子催化剂附着在多孔硅上，”梅耶实验室的研究生、该研究的共同第一作者斯图尔特-琼斯说。

与分子催化剂与扁平无孔硅配对相比，由阳光引发的化学反应以更一致和可重复的方式将CO2转化为一氧化碳。

“我们已经成功地将有效的分子CO2还原催化剂固定到吸收阳光的硅材料上，”Hazari实验室的博士后研究员、该研究的另一位共同第一作者XiaofanJia说。“这使得该设备能够直接利用太阳光的能量来生产燃料。”

王说，总的来说，这两项研究都凸显了CHASE项目的多样性和创造力。

“这两项工作都开发了采用硅和分子催化剂的CO2还原光电极，但采用了截然不同的方法，”王说。