上海科技大学物质科学与技术学院教授林柏霖课题组通过新型电极的构造和系统工程优化，首次开发出了太阳能到化学能的能量转换效率超过20%的二氧化碳还原人工光合作用系统。相关成果近日在线发表于《材料化学杂志A》。
植物通过光合作用把太阳能转换成电势能，进而驱动一系列生化反应，把二氧化碳和水转化成含碳的能量载体和氧气，这是碳基生物利用能源和碳物质的核心基础过程。但自然光合作用中太阳能到化学能的转换效率太低，虽然理论值最高可达8%，但实际上一般小于1%，而人工光合作用的最高能量转换效率也不到18%。
林柏霖课题组创造性地开发了一种在纳米多孔聚丙烯膜上负载纳米多层级孔银的一体化薄膜电极，可实现高活性、高选择性和高稳定性的二氧化碳电还原。实验和理论分析表明，这种纳米多级孔结构不仅可以增加活性位点的数量，同时也突破了前人报道的基于薄膜电极的三相界面扩散极限的限制，从而在低过电势下实现相对较高的二氧化碳电还原分电流密度和一氧化碳的选择性。
“通过定量系统工程分析发现，该电极如果与目前最先进的太阳能电池搭配，可以充分利用太阳能电池的光电流，预计太阳能到化学能的最高转换效率约为25%。”林柏霖告诉《中国科学报》，他们同时将该电极与课题组开发的镍铁基阳极相结合，与商业化的太阳能电池相匹配，开发出了基于二氧化碳还原的人工光合作用系统。
该系统在28小时的长时间测试过程中表现出良好的稳定性，其太阳能到化学能最高转换效率达到了约20.4%，全程平均能量转换效率为20.1%，超过了目前所有已知的二氧化碳还原人工光合作用系统。
林柏霖表示，这一发现对未来人工光合作用系统的进一步突破具有指导意义。（中国科学报记者黄辛）