钙钛矿驱动太阳能C2烃类合成：CO2高效转化的光电化学新策略

《Nature Catalysis》：Perovskite-driven solar C2 hydrocarbon synthesis from CO2

为解决化石燃料依赖和CO2排放问题，研究人员通过集成钙钛矿光吸收体与铜纳米花催化剂（CuNF），开发了高效光电化学（PEC）系统，实现了9.8%法拉第效率（FY）的C2烃类（乙烷/乙烯）合成，并耦合硅光阳极实现甘油氧化（GOR），为可持续燃料和化学品生产提供了新范式。

　　

全球能源转型背景下，如何将CO₂转化为高附加值化学品是缓解气候危机和资源短缺的关键挑战。传统工业依赖化石原料生产乙烯（C₂H₄）和乙烷（C₂H₆），但伴随高能耗与碳排放。光电化学（PEC）技术虽能直接利用太阳能驱动反应，却因催化剂过电位高、半导体光电压不足等问题，难以实现高效多碳合成。

美国加州大学伯克利分校Peidong Yang团队联合剑桥大学学者，在《Nature Catalysis》发表研究，通过设计钙钛矿（PVK）光吸收体与铜纳米花（Cu_NF）催化剂的界面，构建了高效PEC系统。该系统在0 V（vs. RHE）下实现9.8% C₂烃类法拉第效率（FY），并首次耦合硅纳米线（Si_NW）光阳极完成甘油氧化（GOR），使C₂分电流密度提升200倍至155 μA cm^-2，为太阳能驱动碳循环提供了新思路。

研究采用三项关键技术：1）电化学沉积法制备分级多孔Cu_NF催化剂；2）三阳离子混合卤化物钙钛矿光吸收体与石墨环氧封装构建埋结型光阴极；3）硅纳米线阵列（Si_NW）修饰PtAu催化甘油氧化，结合双极膜分离酸碱反应区。

Cu纳米花电化学性能
通过碱性过硫酸铵氧化铜箔并电还原获得Cu_NF催化剂，SEM显示其2-4 μm簇状多孔结构。在0.1 M KHCO₃中，-0.9 V（vs. RHE）下C₂ FY达10%，且乙烷占比随催化剂厚度增加，表明C₂H₄二次还原路径。13C同位素实验证实产物源自CO₂还原。

钙钛矿|Cu_NF光阴极
将Cu_NF与Voc=1.08 V的钙钛矿集成，发现催化剂几何面积显著影响选择性：4 mm²活性区时C₂ FY达9.8%，而40 mm²时降至0.8%，揭示局部电流密度（J_cat）对产物分布的调控作用。

水分解人工叶片
PVK|Cu_NF与BiVO₄/TiO₂光阳极耦合时，因OER（氧析出反应）需1.23 V过电位，C₂分电流密度仅0.8 μA cm^-2，凸显热力学限制。

高值化学品PEC装置
改用Si_NW-TiO₂|PtAu光阳极催化GOR（起始电位0 V vs. RHE），系统光电压需求降低1 V，C₂ FY提升至5-7%，太阳能-化学转化效率达0.212%。

该研究突破性地证明：1）钙钛矿光电压可驱动多碳合成；2）催化剂/光吸收体面积比是调控选择性的新维度；3）有机氧化替代OER能大幅提升PEC性能。通过耦合CO₂还原与生物质转化，为同时生产燃料和精细化学品提供了可持续方案，推动人工光合作用向实际应用迈进。