創紀錄的速度,把二氧化碳CO2轉化為乙烯!

加拿大多倫多大學Edward H. Sargent院士繼2月6日、3月6日《Science》之後,今日再發《Nature》,以創紀錄的速度將CO2轉化為乙烯

5.14《Nature》: 利用主動機器學習加速發現CO2電催化劑

利用二氧化碳和可再生能源,將二氧化碳電化學還原為化學原料,既能減少石化燃料的使用,又能有效減少大氣中中的二氧化碳,可謂一舉多得。當目標是將CO2還原成更有價值的多碳產品時,銅一直是這一反應的主要電催化劑,當以乙烯為目標還原物時,工藝仍需改進。

卡內基梅隆大學 Zachary Ulissi教授和加拿大多倫多大學Edward H. Sargent院士合作利用密度泛函理論計算和主動機器學習相結合的方法識別的銅鋁電催化劑,該催化劑有效地將二氧化碳還原為乙烯,實現迄今為止報道的最高法拉第效率,當電流密度為400 mA/cm2時(電壓1.5V,可逆氫電極),法拉第效率超過80%(而純銅的法拉第效率約為66%),當電流密度為150 mA/cm2,陰極側(半電池)乙烯功率轉換效率為55±2%。計算結果表明:銅鋁合金提供瞭多個位置和表面取向,幾乎最利於CO的結合,可實現高效和選擇性CO2還原。原位X射線測試表明:Cu和Al能夠形成有利的Cu配位環境,促進C-C二聚。這一實踐證明瞭計算和機器學習在指導超越傳統單金屬電催化劑局限性的多金屬系統的實驗探索中的價值。

創紀錄的速度,把二氧化碳CO2轉化為乙烯!

3月6日《Science》高效串聯太陽能電池,效率突破25.7%!

堆疊具有較小帶隙的太陽能電池形成雙結膜,有望克服單結光伏電池的Shockley-Queisser極限。固溶鈣鈦礦的快速發展帶來瞭鈣鈦礦單結效率> 20%。但是,該工藝尚未能夠與行業相關的織構晶體矽太陽能電池進行單片集成。

加拿大多倫多大學Edward H. Sargent院士阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf合作,溶液處理的微米級鈣鈦礦頂部電池與全織構晶體矽異質結底部電池相結合,組成雙疊層電池。相關論文以“Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite ontextured crystalline silicon”為題,今日發表在《Science》上。

創紀錄的速度,把二氧化碳CO2轉化為乙烯!

為瞭克服微米級鈣鈦礦中電荷收集的挑戰,該課題組將矽錐體底部的耗盡寬度增加瞭三倍。此外,通過將自限鈍化劑(1-丁硫醇)固定在鈣鈦礦表面上,增加瞭擴散長度並進一步抑制瞭相分離。這些綜合的增強功能使鈣鈦礦矽串聯太陽能電池的獨立認證功率轉換效率達到瞭25.7%。這些器件能夠經受85°C下進行400小時的熱穩定性測試,以及在40°C下在最大功率點跟蹤400小時後,其性能損失可忽略不計。

2月6日,Science:創紀錄的速度,把二氧化碳轉化為乙烯!

電解催化CO2還原為CO以及多碳有機物有望緩解目前日益突出的能源緊張與環境污染問題。一般的電解催化裝置需要在水溶液中通過電解水來為多碳有機物提供質子,這就導致瞭一個嚴重的問題:CO2在水溶液中的擴散能力很差(堿溶液中擴散長度隻有幾十納米),因此導致瞭低的電解電流密度(<100 mA cm−2)和低的能量轉換效率,同時,由於電解催化反應在氣( CO)-固(催化劑)-液(電解液)三相復合區進行,親水的催化劑活性層會在高堿性環境下被腐蝕融入電解液,導致催化活性不斷下降以及析氫反應加劇。

創紀錄的速度,把二氧化碳CO2轉化為乙烯!

基於此,加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊聯合David Sinton教授團隊設計瞭一種能夠將氣體、離子和電子解耦合的含金屬-離子聚合物復合結構電解催化體系( CIBH ),在電解CO2制備多碳化合物時電流密度超過1 A cm−2,為目前報導的最高值。作者選用具有親水-SO3基團和疏水-CF2基團的聚全氟磺酸(PFSA)塗覆在催化劑表面來實現CIBH這一結構,塗覆層表面的親水基團接觸催化劑使之與電解液充分浸潤接觸,有利於質子的產生,而內部的疏水通道則有利於CO2的傳輸。結果顯示,厚度僅為5-10nm的塗覆層可以使CO2擴散長度提升近400倍,達到瞭微米級別。將該結構分別應用到Ag和Cu基的催化劑上進行CO2還原制備CO,Ag-CIBH和Cu-CIBH催化體系的電流密度分別能夠達到400 m Acm−2和340 m Acm−2,而原始的Ag和Cu催化劑電流密度分別隻有54 mA cm−2和64 mA cm−2。在此理念上,作者設計瞭3D Cu- CIBH催化體系,在7M KOH電解液中CO2流量達到瞭50 cm3min –1,最大電流密度達到瞭1.32 A cm−2,陰極能量效率提高瞭45 %,這項技術大大提升瞭電解催化CO2制備多碳有機物在工業上的實際應用可行性(《Science》:創紀錄的速度,把二氧化碳轉化為乙烯!)。

創紀錄的速度,把二氧化碳CO2轉化為乙烯!

作者簡介

創紀錄的速度,把二氧化碳CO2轉化為乙烯!

Edward H. Sargent教授,多倫多大學副校長,加拿大皇傢科學院院士,加拿大工程院院士,加拿大科技部納米技術分部主席,InVisage Technologies 創始人,Xagenic共同創始人,AAAS會士,IEEE會士,ACS Photonics副主編。Edward H. Sargen教授是材料學和光子學鄰域世界著名科學傢,因其在可溶相處理的半導體太陽能電池和光探測器研究中所作出的傑出貢獻,當選Fellow of the AAAS;因其在膠體量子點光電子器件研究中所作出的貢獻,當選Fellow of the IEEE;因其在利用量子限域材料制備全光譜太陽能電池和超靈敏光探測器研究中所作出的貢獻,當選加拿大工程院院士。Edward H. Sargen教授在Nature和Science等國際頂級期刊發表論文多篇,目前已獲引用超過61894次(Google數據),其中有100篇論文的引用次數超過100次。

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2242-8

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