通过人工光合作用产生太阳能燃料

美国能源部人工光合联合中心（JCAP）的研究人员正致力于利用阳光、水和二氧化碳，并通过人工光合作用产生液态运输燃料。

此前，JCAP曾利用一系列复杂的表征工具和独特的自动化高通量实验来产生及筛选大量材料，以鉴定人工光合作用系统的成分。如今JCAP正尝试新的方法来产生高能量燃料，例如只需使用阳光、水和二氧化碳便能合成氢和碳基燃料。

相比生物燃料生产过程，人工光合作显然更高效，而且不需要耕地、农业原料以及太多的能量或水。太阳能燃料系统在几乎任何地方都“唾手可得”，而今后其进入商业化开发和生产也只是时间问题。

JCAP八大核心项目：

太阳光捕获和转化。该项目的重点是探索和开发半导体材料用于太阳能吸收，并确保有稳定高效的半导体用来为水分解和二氧化碳还原反应提供足够的电压。

多相催化。该项目主要是开发多相催化剂，从而生成太阳能燃料。通过使用理论和现代表面科学方法以及量子变速技术，JCAP的研究人员寻求了解氢气和氧气的反应途径和初步阶段，从而加速产生太阳能燃料的新型催化剂。

分子催化。该项目包括在太阳能燃料产生过程中均相催化剂的主要化学反应：从水到氧气的氧化反应、水到氢气的还原反应以及二氧化碳到碳基液态燃料的还原反应。该项目的重点是天然光合酶如固氮酶、氢化酶催生过渡金属复合物的过程，以及光系统II与催化剂复合物的化学性质稳定、活跃及高度选择性符合特定化学指标。

高通量实验。该项目使用自动化高通量材料，并作为吸光剂或催化剂，来产生太阳能燃料。通过采用高速组合技术产生新合金，经过筛选后，可以识别高性能吸光剂和催化剂及表面科学分析工具，从而对未来材料的结构和成分加以塑造。

催化剂和吸光剂。该项目对电催化剂和光催化剂的性能进行验证。由于研究人员在太阳能燃料研究领域中使用的测试方法距离标准化尚存差距（不同的光源、电解质溶液及pH范围等），因此对于交叉对比不同材料的性能而言，仍有较大难度，而鉴定哪些材料是真正最有前景的材料更是难上加难。目前，JCAP的当务之急是将最有前景的材料集成到太阳能燃料装置中。

分子和纳米接口。通过人工光合系统将水分解为氢气和氧气，或者将二氧化碳和水转化为液态燃料的主要障碍包括：吸光剂和催化剂之间的低效电荷传输，以及水氧化和燃料产生的半反应。而分子和纳米接口项目旨在耦合吸光剂、催化剂、优化控制速率的半反应，以及纳米中的动能学电子和质子，以完成人工光合系统并实现太阳光子能量转化成化学能燃料。

隔膜和中尺度集成。该项目旨在通过定向集成的方法将催化剂、吸光剂和支持基质整合到功能齐全的光电系统中，而光电层可以允许预测及控制太阳能产生过程中的传递现象。为了确保隔膜的结构和化学稳定性、燃料的渗透性以及离子导电性，研究人员进行了大量理论研究和实验来提升太阳能转化效率。

规模化和原型法。对于JCAP在整体研究工作中构建功能齐全的太阳能系统，该方案意义重大。大尺寸原型有利于鉴定太阳能产生过程中的气泡、反应试剂、输出流量、光学问题以及其它问题。