1.集成了光伏（PV）和電化學（EC）的大型無膜電池和直流到直流（DC-DC）轉換器即可運行。2.太陽驅動CO2還原為甲酸的太陽化學轉化效率（ηSTC）為7.2％（?1,000 cm2照射面積）。3.具有低電阻基底的Ru絡合物聚合物催化劑可降低工作電壓。4.PV和EC之間的良好匹配制備出堆疊式EC電極催化劑。減少二氧化碳的凈排放量才可應對全球變暖造成的近期自然災害。提供給地球表面的太陽能是當前全球總能源消耗的9,600倍。天然碳循環主要受光合作用控制。綠色植被利用太陽能將CO2和水轉化為碳氫化合物和氧氣。因此，太陽能驅動的將二氧化碳減少為燃料和化學物質是促進碳循環以實現可持續的碳中和社會的一種有前途的方式，因此已經進行了廣泛的研究。從CO2合成有機物的技術在制造不同于電池和儲氫合金等載體的新能源載體方面也很有希望。當前，太陽能驅動的電化學（EC）使用光伏（PV）電池將CO2還原為燃料是一種很有前途的CO2回收技術。目前，由于電極催化劑的高電阻和反應物供應不足，EC反應器的規模化降低了太陽化學轉化效率（ηSTC）。有鑒于此，日本豐田中央研究與開發實驗室有限公司的Naohiko Kato研究團隊報道了一個可將CO2轉化為甲酸的大型太陽能電池。
圖片來源：日本豐田公司
使用有效面積為1 cm2的整體式平板狀設備（A型）產生的甲酸鹽生產hSTC為4.6％。但是，質子從電解質中的陽極到陰極的擴散路徑增加，這導致擴散阻力的顯著增加，因此，將平板狀裝置用作大型單元的組件的大小的問題一直是爭論的問題。本文通過改變小尺寸陽極和陰極之間的距離來評估質子擴散路徑長度的影響，給定電壓下的電流密度會隨著距離的增加而顯著降低。為了使大尺寸與高hSTC兼容，本文采用了另一種結構（B型）電池。陽極和陰極（大小為1,000 cm2）在透明塑料外殼中彼此相對，相隔1 cm的微小距離，并直接連接到具有類似大小的c-Si PV電池。使用B型電池解決了質子擴散阻力的問題。然而，這帶來了兩個嚴重的問題，即電極催化劑的大電阻和在彼此相對的陽極和陰極之間的狹窄間隙中電解質的流動不均勻。為了獲得高hSTC，將PV性能與EC活動相匹配也很重要。電極催化劑的活性區域應足夠大，以使PV電池的光激發電子完全用于反應。然而，較大的電極尺寸導致較大的影響，即高電阻和不足的CO2供給。因此，本文采用了并聯電連接的堆疊式電極催化劑，這可以使用單室電池結構實現，每個陽極和陰極之間沒有膜。PV電池的電流（I）-電壓（V）曲線與EC反應器的負載曲線的交點處的工作電流（Iop）和電壓（Vop）必須接近于光伏電池的最大功率。否則，光激發的電子和/或電子能量會部分消散。為了確定電極催化劑的最佳堆疊數量和c-Si PV電池的串聯連接，本文測量了由一對陽極和陰極與FTO / Ag組成的EC反應器的線性掃描伏安法（LSV）曲線網格使用恒電位儀。基于堆疊電極催化劑的電流與堆疊數量成正比的假設，使用五個電并聯連接的堆疊電極可將Iop 3 Vop / Pmax提高到0.66（Iop = 4.41 A，Vop = 2.10 V）。當電極與六個串聯的c-Si PV電池組合時，Iop 3 Vop / Pmax進一步增加至0.91（Iop = 6.22 A，Vop = 2.25 V）。因此，本文采用了并聯連接的五個堆疊電極催化劑和六個串聯的c-Si PV電池的組合。圖2. 配備有一對陽極-陰極對和五個堆疊電極催化劑的EC反應器的LSV曲線要點3. 使用堆疊式電極催化劑的高效太陽能驅動的二氧化碳減排本文使用五個并聯連接的堆疊式電極催化劑，六個串聯的c-Si光伏電池和Orifice II組裝大型B型電池，首先確認五個堆疊式電極的LSV曲線測量值與估算值相符。Iop，Vop和Iop3Vop / Pmax值分別為6.26 A，2.23 V和0.91，表明EC反應器和PV電池之間具有良好的匹配性。本文進行了兩次太陽能驅動的B型電池CO2減少測量。在1個太陽光照射下，電池操作高度穩定；在總共3 h的照射中，電流和電壓幾乎都是恒定的。這使得照射時間成比例的累積的甲酸鹽的電荷和濃度的增加。在3小時內產生的甲酸鹽生成hSTC為5.74％。在第二次測量中顯示出相似的結果。考慮到所測量的甲酸在電解液中的濃度的準確度為G5％，因此在兩次測量中平均生成甲酸的hSTC和FE分別為hSTC = 5.7 G 0.15％和FE = 64G1.7％。使用Ti板可顯著改善LSV特性。Vop降低到1.85 V，同時保持Iop 6.26 A接近FTO / Ag柵極的Iop。盡管Iop相似，甲酸濃度仍顯著增加，從而導致hSTC更高，為7.2 G 0.18％，FE更高，為80 G 2.0％。本文設計了一個大型太陽能電池，可將CO2轉化為甲酸。它由五個堆疊電極（電并聯連接）和六個串聯連接的單晶硅硅光伏電池（面積約1,000 cm2）組成。負載有IrOx的低電阻陽極和負載有碳載體上的Ru絡合物聚合物的陰極在1.85 V的低壓下在它們之間沒有膜的情況下運行。由于溶解的CO2均勻流動，它們產生的反應電流為6.30 A 電解質以實現足夠的CO2供給，并在PV和EC性能之間實現良好的匹配。電解池的轉化效率為7.2％，高生產率為93.5 mmol/h。He Zhao et al. A large-sized cell for solar-driven CO2 conversion with a solar-to-formate conversion efficiency of 7.2%. Joule, 2021, 5, 687–705.DOI: 10.1016/j.joule.2021.01.002https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.01.002
