Two researchers posed to the right of a lab bench with various scientific instruments.

关键要点

美国能源部 Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 的研究人员与国际合作者一起，让我们在利用太阳能将二氧化碳转化为液体燃料和其他有价值的化学品方面更近了一步。在最近发表于 Nature Catalysis 的一篇 文章 中，研究人员首次展示了一种独立的碳-碳 (C2) 生产系统，该系统将铜的催化能力与 perovskite（一种用于光伏太阳能电池板的材料）相结合。这项进展建立在 20 多年的研究基础上，使科学界更接近于复制自然界中绿叶的生产力。

这项工作是 Liquid Sunlight Alliance (LiSA) 的一项大型计划的一部分，该联盟是由美国能源部资助的“阳光燃料能源创新中心”。LiSA 由 Caltech 牵头，与 Berkeley Lab 紧密合作，汇集了来自 SLAC 和 National Renewable Energy Laboratory 等国家实验室合作伙伴以及 UC Irvine、UC San Diego 和 University of Oregon 等大学合作伙伴的 100 多名科学家。参与这项多机构合作的研究人员在开发我们对利用阳光、二氧化碳和水生产液体燃料的理解和所需工具方面取得了进展。（要了解有关 LiSA 合作的更多信息，请参见这篇 综述，“LiSA 推进太阳能燃料的五种方式。”）

A blue, gloved hands puts a perovskite and copper-based device in line with other copper-based devices. Artistic depiction of an artificial tree with copper nanoflowers wired to perovskite crystals.

“大自然是我们的灵感来源，” Berkeley Lab 材料科学部高级教员科学家、UC Berkeley 化学与材料科学与工程教授 Peidong Yang 说道，他参与了这项已发表的工作。“我们必须首先研究各个组成部分，但是当我们把所有东西放在一起并意识到它成功时，那是一个非常激动人心的时刻。”

为了构建一个模仿光合作用的系统，Yang 及其团队遵循了植物叶子中发生的自然过程。一片叶子的光合作用元素的每个单独组成部分都必须被复制和改进。科学家们利用数十年的研究成果，使用卤化铅钙钛矿光吸收器来模仿叶子的光吸收叶绿素。并且受到调节自然界中光合作用的酶的启发，他们设计了由铜制成的电催化剂，这些电催化剂类似于微小的花朵。

之前的实验已经通过使用生物材料成功地复制了光合作用，但是这项工作结合了无机材料铜。虽然铜的选择性低于生物替代品，但是铜的加入为人工树叶系统设计提供了一种更耐用、稳定和更持久的选择。

LiSA 项目的研究人员领导的工作开发了新设备的阴极和阳极组件。Berkeley Lab 的 Molecular Foundry 中的仪器使 Yang 的团队能够将该设备与金属触点集成在一起。在 Yang 实验室的实验中，使用模拟持续明亮阳光的太阳能模拟器来测试新设备的选择性。

各研究小组先前的创新使得有机氧化反应能够在光阳极室中发生，并在光阴极室中产生 C2 产品。这项突破创造了一个实际的人工树叶结构，该设备大约邮票大小 – 它仅使用阳光将 CO2 转化为 C2 分子。

该设备产生的 C2 化学品是许多行业生产我们日常生活中使用的有价值产品的先驱成分 – 从塑料聚合物到大型车辆的燃料，这些车辆目前尚无法依靠电池驱动，例如飞机。在这一基础研究里程碑的基础上，Yang 现在旨在提高系统的效率并扩大人工树叶的尺寸，以开始提高解决方案的可扩展性。

Molecular Foundry 是 Berkeley Lab 的用户设施。

这项工作得到了 DOE Office of Science 的支持。

Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 致力于以突破性的研究为重点，专注于发现科学以及为丰富和可靠的能源供应提供解决方案。该实验室的专业知识涵盖材料、化学、物理、生物学、地球与环境科学、数学和计算。来自世界各地的研究人员依靠该实验室世界一流的科学设施来进行他们自己的开创性研究。Berkeley Lab 成立于 1931 年，坚信最大的问题最好由团队来解决，Berkeley Lab 及其科学家已经获得了 16 项诺贝尔奖。Berkeley Lab 是由 University of California 为美国能源部科学办公室管理的多项目国家实验室。

DOE 的科学办公室是美国物理科学领域基础研究的最大支持者，并且正在努力解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。有关更多信息，请访问 energy.gov/science。

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Two researchers in lab coats and goggles work with outdoor scientific equipment near a modern building. LiSA JCAP renewal solar fuels hub Artist’s rendering of a copper nanoparticle life cycle during CO2 electrolysis: Copper nanoparticles (left) combine into larger metallic copper “nanograins” (right) within seconds of the electrochemical reaction, reducing CO2 into new multicarbon products.

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