丽萨在五个方面推动太阳能燃料的发展

　　

　　有一天，人工光合作用可以利用太阳能将二氧化碳、氮和水转化为液体燃料，为你的汽车提供动力，并使制造对环境更好的化学品和肥料成为可能。但是科学家们首先需要新技术来有效地将太阳光大规模地转化为太阳能燃料和化学物质，并将它们储存起来供以后使用。

　　自2020年成立以来，液体阳光联盟(LiSA)——由美国能源部资助的一个来自阳光能源创新中心的燃料——在开发从阳光、二氧化碳和水产生液体燃料的科学原理方面取得了进展。

　　LiSA由加州理工学院与劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)密切合作领导，汇集了来自SLAC国家加速器实验室和国家可再生能源实验室的国家实验室合作伙伴以及加州大学欧文分校，加州大学圣地亚哥分校和俄勒冈大学的大学合作伙伴的100多名科学家。这项多机构合作的重点是通过将计算驱动的实验与使用超快x射线和其他先进成像技术的实时观测相结合，加速太阳能燃料研究的进展。通过促进国家网络的领先研究能力，先进的仪器，以及国家实验室和大学独有的尖端用户设施，LiSA正在为太阳能燃料的未来铺平道路。

　　“LiSA让太阳能燃料更接近现实，”伯克利实验室化学科学部的资深科学家乔尔·阿格(Joel Ager)说，他管理着伯克利实验室北加州LiSA设备。“在短短五年内，我们的研究人员在人工光合作用方面取得了重大里程碑，从将阳光和二氧化碳转化为乙烯和其他化学燃料的新材料和设备，到计算机建模、数据可视化和x射线成像技术的进步，这些技术可以使转化过程在商业规模上更加高效和持久。”

　　以下是由伯克利实验室领导的LiSA研究团队迄今为止取得的五个潜在突破。

　　

　　光电化学装置利用阳光触发化学反应，将二氧化碳和水转化为液体燃料。这种人工光合作用技术有可能彻底改变我们的能源基础设施，但目前的二氧化碳减排光电化学技术受到缓慢的化学过程和高能量需求的限制。伯克利实验室材料科学部的高级教员科学家杨培东领导的一个项目提供了另一种方法:一种比传统系统能耗低得多的新系统设计。通过使用硅纳米线组件，这种新设计可以在多天内实现24/7全天候运行，并有效地消除了阳光间歇性问题，这种组件可以由可再生能源和超高效的led照明。

　　光电化学系统有潜力通过人工光合作用生产氢燃料和其他液体燃料，但大规模生产这些燃料将需要提高效率和产品纯度。在最近由伯克利实验室能源技术领域的高级科学家和能量转换小组负责人亚当·韦伯和化学科学部的高级科学家亚历克西斯·贝尔领导的项目中，研究人员开发并运行模型来模拟分子、原子和电子如何在光电化学装置的内部和界面上移动。这些模拟揭示了离子传输(带电粒子的运动)在膜材料和催化剂性能中的重要性。这项工作还推进了设计光电化学组件的新方法，包括金属-绝缘体-半导体结构，以减少二氧化碳。

　　

　　由伯克利实验室能源存储和分布式资源部门的高级教员科学家香农·伯彻和伯克利实验室化学科学部的高级教员科学家马丁·海德·戈登领导的一个项目创建了一个经过验证的分子模型，该模型准确地描述了当材料生锈和溶解时离子(在溶液中携带电流的化学物质)产生的速率。这一进展将帮助研究人员了解光电化学器件腐蚀的基本原理，这是人工光合作用商业化的一个长期挑战。该模型还绘制出了离子在固体和液体界面上消耗的速率，例如当金属从溶液中镀出来以制造半导体芯片时。

　　通过将实验室实验与前沿计算相结合，该团队的合作研究揭示了分子事件的顺序以及由此产生的控制离子形成或消耗速度的障碍。研究人员目前正在将这种方法扩展到复杂系统:目的是创建一种对可再生液体燃料合成、电池和控制腐蚀过程的电化学技术具有广泛重要性的通用理论。

　　实验工作是在俄勒冈大学完成的，这是LiSA的合作机构，在加入伯克利实验室之前，Boettcher是俄勒冈大学的化学和生物化学教授。

　　铜是人工光合作用中最好的催化剂之一，可以将二氧化碳转化为乙醇、乙烯和丙醇等液体燃料。研究人员一直希望提高这些反应的效率和产率，但在金属和电解质界面的操作或实际工作条件下观察它们一直是一个挑战。由资深科学家、伯克利实验室分子生物物理学和综合生物成像部门主任Junko Yano领导的一个项目，可以使金属和电解质相遇时发生的化学反应的operando表征成为可能。利用SLAC的斯坦福同步辐射光源和伯克利实验室的先进光源的x射线束线，该团队正在开发和应用技术，以确定在相关时间尺度上铜-液体界面的活性位点发生化学反应的位置。这项工作可以为人工光合作用系统的催化机制和耐久性问题提供新的见解。

　　

　　用于太阳能燃料的光电化学装置依赖于半导体表面在光照下发生的反应。然而，由于化学稳定性和选择性不佳，许多其他有前途的半导体不利于期望的二氧化碳还原化学。Joel Ager和他的研究小组最近的工作发现了两种克服这些挑战的方法。首先，他们展示了一种适当选择的金属氧化膜既可以保护半导体免受腐蚀，又可以使电子流向催化剂，从而使太阳能驱动的二氧化碳合成乙烯成为可能。

　　接下来，他的团队展示了Cu(InGa)S2或CIGS——一种用于光伏工业的材料，但以前被忽视的太阳能燃料——可以完全自己将二氧化碳转化为一氧化碳和甲酸等化学物质，而不需要任何保护涂层或助催化剂。这项工作是与来自比利时imec和伯克利实验室先进光源的团队合作完成的。这些突破表明了太阳能驱动的二氧化碳转换的巨大潜力，并为探索开辟了新的研究途径。

　　这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。