加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent院士繼2月6日、3月6日《Science》、5.14《Nature》之后，6月12日再發(fā)《Science》,實(shí)現(xiàn)更清潔、更有效和更具選擇性的電合成環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷，有望代替苛刻的熱化學(xué)法，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。同期《Science》以“Electrification of the chemical industry”為題，進(jìn)行評(píng)述。
6.12《Science》：環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷的選擇性電合成
化學(xué)品生產(chǎn)消耗大量能源，并在全球碳排放中占相當(dāng)大的比例。利用可再生電力生產(chǎn)所需化合物的電化學(xué)系統(tǒng)為降低化學(xué)行業(yè)的碳排放提供了一條途徑。環(huán)氧乙烷是世界上產(chǎn)量最多的商品化學(xué)品之一，因?yàn)樗谒芰瞎I(yè)中非常重要，尤其是在制造聚酯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯方面。加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent團(tuán)隊(duì)采用擴(kuò)展的非均相界面，在陽(yáng)極使用氯作為氧化還原介質(zhì)，以促進(jìn)乙烯選擇性部分氧化為環(huán)氧乙烷。實(shí)現(xiàn)了1A/cm2的電流密度，法拉第效率約70%，產(chǎn)品選擇性約97%。當(dāng)在300mA/cm2運(yùn)行在100小時(shí)，系統(tǒng)始終保持71(±1)%的法拉第效率。如此優(yōu)異的性能有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，取代條件苛刻的熱化學(xué)法。
全文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/368/6496/1228
5.14《Nature》: 利用主動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)加速發(fā)現(xiàn)CO2電催化劑
利用二氧化碳和可再生能源，將二氧化碳電化學(xué)還原為化學(xué)原料，既能減少石化燃料的使用，又能有效減少大氣中中的二氧化碳，可謂一舉多得。當(dāng)目標(biāo)是將CO2還原成更有價(jià)值的多碳產(chǎn)品時(shí)，銅一直是這一反應(yīng)的主要電催化劑，當(dāng)以乙烯為目標(biāo)還原物時(shí)，工藝仍需改進(jìn)。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué) Zachary Ulissi教授和加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent院士合作利用密度泛函理論計(jì)算和主動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法識(shí)別的銅鋁電催化劑，該催化劑有效地將二氧化碳還原為乙烯，實(shí)現(xiàn)迄今為止報(bào)道的最高法拉第效率，當(dāng)電流密度為400 mA/cm2時(shí)(電壓1.5V,可逆氫電極)，法拉第效率超過(guò)80%（而純銅的法拉第效率約為66%），當(dāng)電流密度為150 mA/cm2,陰極側(cè)（半電池）乙烯功率轉(zhuǎn)換效率為55±2%。計(jì)算結(jié)果表明：銅鋁合金提供了多個(gè)位置和表面取向，幾乎最利于CO的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高效和選擇性CO2還原。原位X射線測(cè)試表明：Cu和Al能夠形成有利的Cu配位環(huán)境，促進(jìn)C-C二聚。這一實(shí)踐證明了計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)在指導(dǎo)超越傳統(tǒng)單金屬電催化劑局限性的多金屬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探索中的價(jià)值。
3月6日《Science》高效串聯(lián)太陽(yáng)能電池，效率突破25.7%！
堆疊具有較小帶隙的太陽(yáng)能電池形成雙結(jié)膜，有望克服單結(jié)光伏電池的Shockley-Queisser極限。固溶鈣鈦礦的快速發(fā)展帶來(lái)了鈣鈦礦單結(jié)效率> 20％。但是，該工藝尚未能夠與行業(yè)相關(guān)的織構(gòu)晶體硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行單片集成。
加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent院士和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Stefaan De Wolf合作，溶液處理的微米級(jí)鈣鈦礦頂部電池與全織構(gòu)晶體硅異質(zhì)結(jié)底部電池相結(jié)合，組成雙疊層電池。相關(guān)論文以“Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite ontextured crystalline silicon”為題，今日發(fā)表在《Science》上。
為了克服微米級(jí)鈣鈦礦中電荷收集的挑戰(zhàn)，該課題組將硅錐體底部的耗盡寬度增加了三倍。此外，通過(guò)將自限鈍化劑（1-丁硫醇）固定在鈣鈦礦表面上，增加了擴(kuò)散長(zhǎng)度并進(jìn)一步抑制了相分離。這些綜合的增強(qiáng)功能使鈣鈦礦硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池的獨(dú)立認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了25.7％。這些器件能夠經(jīng)受85°C下進(jìn)行400小時(shí)的熱穩(wěn)定性測(cè)試，以及在40°C下在最大功率點(diǎn)跟蹤400小時(shí)后，其性能損失可忽略不計(jì)。
2月6日，Science：創(chuàng)紀(jì)錄的速度，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯！
電解催化CO2還原為CO以及多碳有機(jī)物有望緩解目前日益突出的能源緊張與環(huán)境污染問(wèn)題。一般的電解催化裝置需要在水溶液中通過(guò)電解水來(lái)為多碳有機(jī)物提供質(zhì)子，這就導(dǎo)致了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：CO2在水溶液中的擴(kuò)散能力很差(堿溶液中擴(kuò)散長(zhǎng)度只有幾十納米)，因此導(dǎo)致了低的電解電流密度(＜100 mA cm?2)和低的能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)，由于電解催化反應(yīng)在氣( CO2 )-固(催化劑)-液(電解液)三相復(fù)合區(qū)進(jìn)行，親水的催化劑活性層會(huì)在高堿性環(huán)境下被腐蝕融入電解液，導(dǎo)致催化活性不斷下降以及析氫反應(yīng)加劇。
基于此，加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合David Sinton教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)怏w、離子和電子解耦合的含金屬-離子聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)電解催化體系( CIBH )，在電解CO2制備多碳化合物時(shí)電流密度超過(guò)1 A cm?2，為目前報(bào)導(dǎo)的最高值。作者選用具有親水-SO3?基團(tuán)和疏水-CF2基團(tuán)的聚全氟磺酸(PFSA)涂覆在催化劑表面來(lái)實(shí)現(xiàn)CIBH這一結(jié)構(gòu)，涂覆層表面的親水基團(tuán)接觸催化劑使之與電解液充分浸潤(rùn)接觸，有利于質(zhì)子的產(chǎn)生，而內(nèi)部的疏水通道則有利于CO2的傳輸。
結(jié)果顯示，厚度僅為5-10nm的涂覆層可以使CO2的擴(kuò)散長(zhǎng)度提升近400倍，達(dá)到了微米級(jí)別。將該結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用到Ag和Cu基的催化劑上進(jìn)行CO2還原制備CO，Ag-CIBH和Cu-CIBH催化體系的電流密度分別能夠達(dá)到400 m Acm?2和340 m Acm?2，而原始的Ag和Cu催化劑電流密度分別只有54 mA cm?2和64 mA cm?2。在此理念上，作者設(shè)計(jì)了3D Cu- CIBH催化體系，在7M KOH電解液中CO2流量達(dá)到了50 cm3min –1，最大電流密度達(dá)到了1.32 A cm?2，陰極能量效率提高了45 %，這項(xiàng)技術(shù)大大提升了電解催化CO2制備多碳有機(jī)物在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用可行性(《Science》：創(chuàng)紀(jì)錄的速度，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯！)。
作者簡(jiǎn)介
Edward H. Sargent教授，多倫多大學(xué)副校長(zhǎng)，加拿大皇家科學(xué)院院士，加拿大工程院院士，加拿大科技部納米技術(shù)分部主席，InVisage Technologies 創(chuàng)始人，Xagenic共同創(chuàng)始人，AAAS會(huì)士，IEEE會(huì)士，ACS Photonics副主編。
Edward H. Sargen教授是材料學(xué)和光子學(xué)鄰域世界著名科學(xué)家，因其在可溶相處理的半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池和光探測(cè)器研究中所作出的杰出貢獻(xiàn)，當(dāng)選Fellow of the AAAS；因其在膠體量子點(diǎn)光電子器件研究中所作出的貢獻(xiàn)，當(dāng)選Fellow of the IEEE；因其在利用量子限域材料制備全光譜太陽(yáng)能電池和超靈敏光探測(cè)器研究中所作出的貢獻(xiàn)，當(dāng)選加拿大工程院院士。Edward H. Sargen教授在Nature和Science等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表論文多篇，目前已獲引用超過(guò)61894次（Google數(shù)據(jù)），其中有100篇論文的引用次數(shù)超過(guò)100次。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6478/661
https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135
