第一作者：李亚光，孟繁琦，吴琦璇，袁大超
通讯作者：李亚光研究员，孟庆波研究员
通讯单位：河北大学，中国科学院物理研究所
论文DOI：10.1126/sciadv.adn5098
光伏发电具有明显的波动性，这会影响电力系统的稳定性。科学家模拟光合作用，开发了光伏电催化CO
2
资源化技术，即利用光伏电能驱动CO
2
转换为化工产品。目前该技术能够做到1 m
2
量级的示范，电极材料成本较高，还不能满足应用要求。在前期工作中，李亚光博士与孟庆波研究员联合提出了光热CO
2
加氢-光伏电催化分解水耦合的新型人工光合作用系统这一设想。在此基础上，本工作开发了Ni-O-Ag光热催化剂，使得该系统能够在低密度太阳光辐照下运行；并在河北大学生命科学与绿色发展研究院的资助下，构建了100平方米量级的新型人工光合作用系统示范；该系统能够完全脱离电网，在环境太阳照射下将CO
2
和H
2
O转换成绿色合成气，其产量为~22 m
3
/天，平均太阳能-化能转换效率为~17.0%。
人工光合作用能够利用太阳能将二氧化碳转化为化学物质和燃料，在科学家的努力下，以光伏电催化CO
2
资源化为代表的人工光合作用系统在规模和太阳能-化学能转换效率（STC）上都取得了长足的进步。然而，现有大面积（1平方米量级）人工光合作用系统的STC（
˂
12%）远远不能满足实际需要，并且电催化剂成本极高。因此，亟需开发新的人工光合作用范式去进一步协同提高系统的尺寸、STC，降低系统成本。在前期的工作中，李亚光博士与孟庆波研究员联合提出了光热CO
2
加氢-光伏电催化分解水耦合的新型人工光合作用系统这一设想。但现有光热CO
2
加氢系统需要聚焦太阳光辐照驱动，这导致光热-光伏耦合人工光合作用系统不能在室外低密度太阳光照射下运行。因此，开发弱光驱动的光热CO
2
加氢系统对于新型人工光合作用的构建至关重要。
1.
本文开发了一种淀粉辅助模板方法来合成Ag单原子负载NiO纳米片（2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
），该材料在300 °C下的逆水煤气反应（RWGS）CO产率达到1434 mmol g
-1
h
-1
，展现出优异的低温CO
2
加氢性能。
2. 在TiC/Cu基光热器件的辅助下，2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
催化剂实现弱光驱动的光热RWGS，其CO产率达到1065 mmol
g
-1
h
-1
。
3.
基于2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
催化剂辅助的光热CO
2
加氢系统和商用光伏电解水制氢系统，开发了光照面积达到103平方米、不使用贵金属催化剂的人工光合作用系统示范。该示范能够摆脱电网依赖，实现全离网运行；
在自然太阳光辐照下，能够将CO
2
和H
2
O转换为绿色合成气，其产量达到~22 m
3
/天，H
2
/CO比例可以调整为0.4-3，平均太阳能-化学能转换效率为~17.0%。
本文开发了一种淀粉辅助模板方法来合成负载在NiO纳米片上的Ag单原子（2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
），该材料为典型的二维形貌，XRD和HRTEM只显示NiO的特征，EDS映射图显示了O、Ni和Ag在整个样品中的均匀分布，证实了Ag物种的存在。球差校正扫描透射电子镜和同步辐射证明Ag元素在2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
中的分布状态为单原子结构（图1）。
图1.
2D
Ni
1
Ag
0.02
O
1
的表征。
2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
在300°C和250°C下的RWGS
CO产率分别为1434和418.95 mmol g
-1
h
-1
，优于相应温度下的贵金属催化剂（300°C下为619.2 mmol g
-1
h
-1
，250°C时为277.2 mmol g
-1
h
-1
）。在275°C的连续76小时RWGS试验中，2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
也显示出~870 mmol g
-1
h
-1
的稳定CO生成速率，从而确定了低温RWGS稳定性（图2）。
图2.
2D
Ni
1
Ag
0.02
O
1
的低温RWGS性能。
原位DRIFTS和理论计算表明，2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
可以通过Ag单原子和邻近Ni位点的协同作用来活化CO
2
，CO
2
不对称地吸附在2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
的Ag-O-Ni位点上，导致C=O键伸长（1.38
Å），进而增强了CO
2
活化，减弱了CO吸附（图3）。
图3.
2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
的热催化RWGS机理。
在TiC/Cu基光热器件的辅助下，2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
催化剂在标准照射下表现出显著的光热RWGS性能，CO产率为1065
mmol g
-1
h
-1
。基于2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
催化剂辅助的光热CO
2
加氢系统和商用的光伏电解水制氢系统，在中国河北省保定市进行了人工光合作用系统示范。该示范能够摆脱电网依赖、实现全离网运行，系统的太阳光照面积最大为103 m
2
，并采用2 kg的2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
作为光热RWGS催化剂。在整个运行期间，室外太阳光强度在0.3~0.89 kW m
-2
之间变化，在环境太阳照射下，能够将CO
2
和H
2
O转换为绿色合成气，其产量达到~22m
3
/天，H
2
/CO比例可以调整为0.4-3，平均太阳能-化学能转换效率为~17.0%。这表明，光热-光伏耦合人工光合作用有潜力为未来化工产业提供绿色原料，从根本上减少碳排放、污染和高能源消耗（图4）。
图4.
新型人工光合作用系统的室外示范与性能。
本工作成功构建了光热-光伏耦合的大规模人工光合作用系统。首先开发了一种淀粉辅助模板方法来合成Ag单原子负载NiO纳米片（2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
），在TiC/Cu基光热器件的辅助下实现优异的弱光驱动光热RWGS性能；进而，基于2D Ni
1
Ag
0.02
O
1
催化剂辅助的光热CO
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加氢系统和商用的光伏电解水制氢系统，开发了光照面积达到103平方米、不使用贵金属催化剂的人工光合作用系统示范。该示范能够摆脱电网依赖，实现全离网运行；在自然太阳光辐照下，能够将CO
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和H
2
O转换为绿色合成气，其产量达到~22 m
3
/天，H
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/CO比例可以调整为0.4-3，平均太阳能-化学能转换效率为~17.0%。这项工作表明，基于环境太阳光驱动的光热-光伏耦合人工光合作用，为全离网光伏发电系统的高效利用和中国双碳目标的实现，提供了一条新的解决路径。
李亚光
，河北大学研究员，河北省燕赵青年科学家，河北省杰出青年，任职于光驱动碳中和研究中心。近年来主要从事光热催化的研究工作，主要研究方向为自然光热催化制氢、二氧化碳资源化等，并实现了一系列自然太阳光驱动的大规模光热催化模式并展开中试应用。主持多项国家自然科学基金项目、河北省科研项目，在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Edit.、 Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Adv. Science、Appl. Catal. B.等学术期刊上发表SCI论文60余篇；获授权国家发明专利9项。
孟庆波
，中国科学院物理研究所研究员，中国科学院大学教授，中科院物理所清洁能源中心主任，中国可再生能源学会常务理事。1987年本科毕业于吉林大学，1997年于中科院长春应化所获得博士学位。2007年，获国家自然科学基金委“杰出青年基金”。2013年，入选“科技北京百名领军人才”。2014年，作为负责人，获基金委“创新研究群体”项目支持。研究方向：（1）太阳能光电转化材料及应用技术；（2）人工光合作用新材料和新系统。在国内外权威杂志发表论文300余篇，他引16000余次，H因子75。获发明专利授权70余项，技术转让(许可)近20项。
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