五種方式LiSA在推進太陽能燃料

人工光合作用未來有可能利用陽光的能量將二氧化碳、氮氣和水轉換為液體燃料，以驅動您的汽車，並為創造對環境更友好的化學品和肥料提供了一種工藝。但科學家們首先需要新的技術，以有效地將陽光轉換為太陽能燃料和化學品，並以規模化的方式儲存以備後用。

自2020年成立以來，液態陽光聯盟（Liquid Sunlight Alliance，LiSA）——一個由美國能源部資助的來自陽光的能源創新中心——在發展從陽光、二氧化碳和水生成液體燃料的科學原則方面取得了進展。

液態陽光聯盟（LiSA）由加州理工學院主導，並與洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）緊密合作，匯集了來自SLAC國家加速器實驗室、國家可再生能源實驗室的國家實驗室科學家，以及加州大學爾灣分校、加州大學聖地牙哥分校和俄勒岡大學的學術合作夥伴，共同超過100名科學家。這一多機構合作旨在結合基於計算的實驗與使用超快X射線和其他先進成像技術的實時觀測，加速太陽能燃料研究的進展。通過促進全國領先研究能力、先進儀器和獨特於國家實驗室和大學的尖端用戶設施的國網絡，LiSA為太陽能燃料的未來鋪平了道路。

“LiSA正在使太陽能燃料更接近現實，”伯克利實驗室化學科學部的資深科學家喬爾·艾傑（Joel Ager）表示，他負責管理伯克利實驗室的北加州LiSA設施。“在僅僅五年的時間裡，我們的研究人員在人工光合作用方面取得了重要的里程碑，從新材料和裝置將陽光和二氧化碳轉換為乙烯和其他化學燃料，到計算建模、數據可視化和X射線成像技術的進步，這些都可能使轉換過程在商業規模上更高效和耐用。”

以下是由伯克利實驗室領導的LiSA研究團隊迄今為止取得的五項潛在突破。

1. 使太陽能能夠24小時可用

   光電化學裝置利用陽光觸發化學反應，將二氧化碳和水轉換為液體燃料。這種人工光合作用技術有潛力革新我們的能源基礎設施，但目前的二氧化碳還原光電化學技術受到緩慢的化學過程和高能耗的限制。由伯克利實驗室材料科學部的資深科學家平東·楊（Peidong Yang）主導的一個項目提供了一種替代方法：一種新的系統設計，其能量需求遠低於傳統系統。這一新設計使得系統能夠在多天內持續運行，並有效消除了陽光間歇性問題，因為它使用了可以被可再生能源供電的超高效LED照明的矽納米線組件。

   
   

2. 在多個尺度上模擬人工光合作用

   光電化學系統有潛力通過人工光合作用產生氫燃料和其他液體燃料，但在大規模生產這些燃料的過程中需要改善效率和產品純度。在由伯克利實驗室能源技術區的能源轉化小組負責人、高級科學家亞當·韋伯（Adam Weber）和化學科學部門的資深科學家亞歷克西斯·貝爾（Alexis Bell）主導的最近項目中，研究人員開發並運行模型，模擬分子、原子和電子在光電化學裝置內部及其界面上的運動。這些模擬讓我們對離子傳輸的重要性（帶電粒子的運動）在膜材料和催化劑性能中的作用有了更深入的了解。該研究還推進了設計光電化學組件的新方法，包括金屬-絕緣體-半導體架構，用於二氧化碳還原。

   
   

3. 澄清了腐蝕的基本原理：離子是如何產生的？

   由伯克利實驗室能源儲存與分布資源部的資深科學家香農·博特查（Shannon Boettcher）和化學科學部的資深科學家馬丁·海德-戈登（Martin Head-Gordon）主導的項目創建了一種經過驗證的分子模型，準確描繪了材料生鏽並溶解時，離子（在溶液中攜帶電流的化學物質）生成的速率。這一進展將幫助研究人員理解光電化學裝置中的腐蝕基本原理，這是商業化人工光合作用的長期挑戰。該模型還描繪了固體和液體之間界面上的離子消耗速率，例如當金屬從溶液中鍍成半導體芯片時。

   
   

   通過將實驗室實驗與尖端計算相結合，該團隊的合作研究揭示了分子事件的序列及控制離子生成或消耗速率的障礙。研究人員目前正在將這一方法擴展到複雜系統中，目標是創建一個對於可再生液體燃料合成、電池和控制腐蝕過程的電化學技術具有廣泛重要性的通用理論。

   
   

   實驗工作在俄勒岡大學完成，該校是LiSA的合作機構，博特查在加盟伯克利實驗室之前，是那裡的化學和生物化學教授。

   
   

4. 開發超快速X射線技術以實時觀察前沿催化劑的運作

   銅是人工光合作用中將二氧化碳轉化為液體燃料（如乙醇、乙烯和丙醇）的一個優秀催化劑。研究人員希望提高這些反應的效率和產率，但在金屬和電解質之間的界面下以“operando”或現實工作條件觀察這些反應一直是一個挑戰。由伯克利實驗室分子生物物理與整合生物成像部門主任、資深科學家矣仲可（Junko Yano）主導的項目將使化學反應的operando表徵成為可能，這些反應發生在金屬和電解質接觸的地方。團隊使用SLAC的斯坦福同步輻射光源（Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）和伯克利實驗室的先進光源（Advanced Light Source）中的X射線光束線，開發並應用技術來確定在相關時間尺度下銅-液體界面的活性位點上化學反應的發生位置。這項工作可以為人工光合作用系統中的催化機理和耐用性問題提供新的見解。

   
   

5. 發現新材料以進行太陽能驅動的二氧化碳轉換為燃料和化學品

   用於太陽能燃料應用的光電化學裝置依賴於在半導體表面照明下發生的反應。然而，許多原本有前景的半導體由於化學穩定性和選擇性不佳，對於所需的二氧化碳還原化學過程並不有利。喬爾·艾傑（Joel Ager）及其研究團隊最近的工作發現有兩種方法可以克服這些挑戰。首先，他們展示了適當選擇的金屬氧化物薄膜既可以保護半導體免受腐蝕，又能讓電子流向催化劑，從而實現從二氧化碳合成乙烯的太陽能驅動過程。

   
   

   接下來，他的團隊還展示了Cu(InGa)S₂或CIGS——一種在光伏行業中使用的材料，但之前在太陽能燃料方面被忽視——可以單獨將二氧化碳轉換為一氧化碳和甲酸等化學品，無需任何保護塗層或共同催化劑。這項工作是與來自比利時imec及伯克利實驗室先進光源的團隊合作進行的。這些突破突顯了太陽能驅動的二氧化碳轉換的巨大潛力，並為研究探索開啟了新的途徑。

   
   

   這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。