近期，物理學院光驅動碳中和研究團隊在大規模人工光合作用領域取得重要進展，相關工作“A Ni-O-Ag photothermal catalyst enables 103-m² artificial photosynthesis with >17% solar-to-chemical energy conversion efficiency”以河北大學為第一單位發表在《Science Advances》（IF=13.6, 2024）。李亞光博士為論文第一作者兼通訊作者，中國科學院物理研究所孟慶波研究員為共同通訊作者。

光伏發電具有明顯的波動性，這會影響電力系統的穩定。科學家模擬光合作用，開發了光伏電催化CO₂資源化技術，即利用光伏電能驅動CO₂轉換為化工產品。但是該技術只能做到1m²量級的示范，并且電極材料成本較高。在前期的工作中，李亞光博士與孟慶波研究員聯合提出了光伏電催化分解水-光熱CO₂加氫耦合的新型人工光合作用系統這一設想。在此基礎上，李亞光課題組開發了Ni-O-Ag光熱催化劑，使得該系統能夠在低密度太陽光輻照下運行；并在河北大學生命科學與綠色發展研究院的資助下，構建了100平方米量級的新型人工光合作用系統示范。

本工作中，李亞光課題組合成了Ag單原子負載NiO納米片（2D Ni₁Ag_0.02O₁），原位DRIFTS和理論計算表明，CO₂在2D Ni₁Ag_0.02O₁的不對稱吸附增強了CO₂的活化能力，這使得2D Ni₁Ag_0.02O₁催化劑在室外低密度太陽光輻照下展現出高效的光熱逆水煤氣反應，在標準太陽光輻照下，其CO產率達到1065 mmol g^-1 h^-1。基于2D Ni₁Ag_0.02O₁催化劑輔助的光熱CO₂加氫系統和商用的光伏電解水制氫系統，李亞光課題組與孟慶波課題組聯合研制了光照面積達到103平方米的人工光合作用系統示范。該示范能夠擺脫電網依賴，實現全離網運行；在自然太陽光輻照下，能夠將CO₂和H₂O轉換為綠色合成氣，其產量達到~22m³/天，H₂/CO比可以調整為0.4-3，平均太陽能-化學能轉換效率為17.0%。這項工作顯示了光伏-光熱耦合技術在人工光合作用領域的應用潛力，為光驅動碳中和領域的深度開發提供了一條可行的路徑。

以上工作得到河北省自然科學基金、國家自然科學基金、河北省科技廳、河北省教育廳、河北大學自然科學多學科研究項目、河北農業大學科研基金項目、中科院等資助以及河北大學物理學院公共測試中心的大力支持。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5098

(物理學院、科學與技術創新研究院 供稿)