第一作者：王昱沆、劉君朗
通訊作者：鄭耿鋒
通訊單位：復旦大學
研究亮點：
1. 模仿綠色植物ATP/ADP能量傳遞介質的作用，提出氧化還原介質輔助的電化學體系設計理念，實現了兩步式反應的二氧化碳電催化還原體系。
2. 體系驅動電壓降低，實現了目前最高能量轉化效率的二氧化碳還原固定。
TOC
研究背景
化石能源的大量使用造成了包括二氧化碳在內的溫室氣體的大量排放和積累。因此，科學家們一直在積極探索如何利用包括太陽能在內的清潔能源，以及光、電、化學催化劑等，將二氧化碳還原轉化為可再生能源（如一氧化碳、甲烷、乙烯、乙醇等），以緩解環境和能源問題。
如果將光電轉化器件直接與二氧化碳還原的電催化劑相連，則體系的轉化效率和二氧化碳固定的最終產率直接受太陽光強度影響，且體系的總能量轉換效率較低，難以高效、穩定地進行二氧化碳的還原轉化。
成果簡介
有鑒于此，復旦大學鄭耿鋒課題組通過模仿綠色植物光合作用中“光反應+碳反應”的兩步過程機理，與其中ATP/ADP的能量傳遞介質的作用，提出了一種兩步反應的電催化反應體系。
圖1 氧化還原介質輔助的電催化二氧化碳還原系統
要點1. 分步式電催化反應
通過氧化還原介質輔助的手段，在陰極與陽極之間引入Zn/Zn(OH)42-氧化還原電對作為電能傳遞介質，實現了分步式的電催化反應。在有光條件下，陽極的鎳鐵雙氫氧化物電催化劑首先將水催化氧化為氧氣，并將電子能量以Zn/Zn(OH)42-氧化還原電對的形式儲存；該部分能量可以在無光的條件下，自發流向陰極，在陰極的金納米顆粒電催化劑上發生電化學反應，將二氧化碳還原為一氧化碳燃料分子。可以通過調節電流大小實現不同的產物組分和能量效率，也可以通過固定電流大小實現穩定的產物輸出，受光照強度影響減弱。
圖2. 金納米顆粒電催化劑上的CO2電化學還原
要點2. 目前最高的太陽能到一氧化碳化學能轉化效率
為實現存儲于Zn/Zn(OH)42-氧化還原電對的電子自發流向陰極進行二氧化碳還原反應，Zn/Zn(OH)42-氧化還原電對的熱力學平衡電位需要更比陰極反應的熱力學平衡電位更負，理論上會造成體系驅動電壓增大。但在實際反應過程中，由于Zn/Zn(OH)42-氧化還原電對上反應過電勢小，反應過程不需要考慮膜電位，溶液電阻也有所減少，新型體系在實際運行過程中實現了更低的驅動電壓（1.96 V）。因此，相同的功率輸入可以獲得更大的電流，能量轉化效率和電子利用效率得以提升。該體系利用太陽能將二氧化碳還原固定的效率可高達15.6%，為已報道的同類研究的最高性能。
要點3. 出色的穩定性
該電化學體系在5 mA·cm-2的放電電流下可以穩定運行100個小時以上，其能量轉化效率和電壓幾乎沒有衰減，具有非常好的電化學穩定性。
圖3. 氧氣析出與二氧化碳還原
小結
該工作提出了氧化還原介質輔助的電化學體系設計理念，通過引入Zn/Zn(OH)42-氧化還原電對實現了兩步式的電催化反應以及目前最高的能量轉換效率，為后續實現不受光照強度影響的二氧化碳電化學還原提供了新思路。
參考文獻:
Wang Y, Liu J, Wang Y, et al. Efficientsolar-driven electrocatalytic CO2 reduction in aredox-medium-assisted system[J]. Nature Communications, 2018.
DOI: 10.1038/s41467-018-07380-x
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07380-x
