耶鲁大学促进可持续太阳能燃料的研究

蔡斯项目正在开发新一代由阳光激活的液体燃料，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，旨在生产可持续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，创建单一产品通常很困难。 分子催化剂可以形成单一二氧化碳（CO2）产物，但不稳定。 因此，许多科学家表示这些方法都不适合大规模生产。

但现在开始出现第三种方法。 参与耶鲁大学太阳能混合方法中心 (CHASE) 的化学家正在将新型半导体材料与新型分子催化剂结合起来，采用更稳健、更简化的工艺，这些工艺可扩展以适应更广泛的用途。

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。

“这两篇论文给了我很大的希望，混合方法能够发挥作用，”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。 “我们肯定正在寻找新的方法来改善或增强参与度。”

蔡斯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，拥有近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研究，利用阳光、水、氮气和二氧化碳生产液体燃料。

耶鲁大学团队成员包括约翰·兰道夫·霍夫曼化学教授尼莱·哈扎尔 (Nilay Hazare)； 詹姆斯·梅尔 (James Mayer)，夏洛特·菲奇·罗伯茨 (Charlotte Fitch Roberts) 化学教授； 王黑亮，化学教授，均来自文理学院。

王说：“看到我们的学生、博士后和合作机构的同事为这项工作所做的奉献，真是令人鼓舞。” “每一个新发现都让我们更接近开发实用太阳能燃料所需的技术。”

耶鲁大学的研究实力是 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，这是太阳能电池中捕获阳光并将其转化为电能的组件。

在 第一次学习在耶鲁大学王实验室和埃默里大学连天泉实验室的领导下，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。

这种策略增加了总电极表面积并导致催化活性显着增加。 耶鲁大学化学系研究生、该研究的共同第一作者 BoZhang 表示：“我们看到了显着的增长，比之前的硅光子电极记录高出 17 倍。”

这种方法实现了有史以来最有效的硅基光电催化二氧化碳从阳光到甲醇的转化。 甲醇是一种无色液体替代燃料。

到 第二次研究耶鲁大学的梅耶尔和哈扎尔实验室合作开发了一种涉及多孔硅薄片的工艺，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芯片上。

“据我们所知，这是第一次有人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偶联相比，由阳光引发的化学反应以更一致和可重复的方式将二氧化碳转化为一氧化碳。

“我们成功地将一种高效的二氧化碳还原催化剂固定在吸收太阳能的硅材料上，”哈扎里实验室的博士后研究员、该研究的另一位共同第一作者贾晓凡说。 “这使得该设备能够直接利用阳光能量来生产燃料。”

王说，总的来说，这两项研究凸显了大通项目的多样性和创造力。

“这两项工作正在开发利用硅和分子催化剂还原二氧化碳的光电极，但它们采用的方法截然不同，”王说。