照片：IMDEA

國際能源署 （IEA） 太陽能供熱和制冷計劃內的新研究小組正專注于太陽能驅動工藝和反應器的開發，例如生產太陽能氫氣或轉化二氧化碳和 N2到氨。該小組被稱為任務 72 – 用于生產燃料和化學品的太陽能光反應器。Víctor de la Pe?a O'Shea 是該領域的領先研究人員之一，也是 Task 72 的四位主要負責人之一。自 2015 年以來，他一直擔任西班牙研究機構 IMDEA Energy 的光 活化 工藝小組主席。我們與他討論了新任務 72 的目標以及他所在小組的相關研究項目的結果。

任務 72 的目標之一是開發基于非關鍵元素的光活性材料。這些材料的作用是什么？

De la Pe?a O'Shea：光活性材料是太陽能燃料生產的核心。它們是特殊材料，可以吸收陽光并將其能量轉化為化學反應——這是生產氫氣、甲醇、合成氣、甲烷或氨等燃料所需的關鍵步驟。根據目標產品設計光活性材料是必不可少的。反應器中的化學過程跨越多個時間尺度 - 從飛秒到秒。因此，開發突破性的策略至關重要，將創新的太陽能反應堆與光活性材料相結合，確保高效的光收集、最佳電荷轉移和穩定的催化劑，以提高生產率并提高對目標產品的選擇性。

最有前途可用于燃料生產的光活性材料有哪些？

De la Pe?a O'Shea：很難為如此復雜的反應定義一種有前途的材料。然而，一個特別有前途的策略是開發有機/無機異質結，尤其是那些基于非關鍵元素的異質結。這些系統由不止一種光活性材料組成。這種混合系統可以在可調光電特性和催化化學反應的可持續性之間取得平衡，使其成為太陽能燃料生產的理想選擇。

“理想情況下，光子必須在驅動熱反應和光化學反應中發揮積極作用”

任務 72 的另一個目標是開發光熱反應的設計策略。這里的挑戰是什么？
De la Pe?a O'Shea：光熱過程利用陽光產生熱量，然后將有機材料（如生物質和石油）甚至廢塑料分解成更簡單、有用的產品，如氫氣、合成氣或液體燃料。因此，光熱系統使我們能夠同時利用光能和熱能輸入，實現原本不可能的反應。然而，采用批判性的觀點是必不可少的。光熱催化不應僅僅理解為熱和光的同時應用。理想情況下，光子必須在驅動熱反應和光化學反應中發揮積極作用，而不僅僅是作為輔助能量輸入。

您與 IMDEA 的研究小組正在研究哪些新的光熱反應？

De la Pe?a O'Shea：我們目前正在研究 CO 的光熱催化?氫化作用。這里的想法是反應 CO2– 它非常穩定，本身不是很有用 – 用氫氣產生新分子，這些分子是更有用的產品，如甲醇或氨。

我們的團隊還積極參與開發創新的太陽能固氮技術來生產肥料（見圖 1）。本研究的重點是大氣中氮 （N?） 或氮氧化物 （NOx） 轉化為氨 （NH?） 在溫和的條件下。通過太陽能工藝合成的氨不僅有望作為能源載體，尤其是在氫氣儲存和運輸方面，而且還可以作為化肥行業的關鍵投入，這對于維護全球糧食安全至關重要。

圖 1：用于綠氨生產的光驅動固氮的能量示意圖。該方案描述了 （i） 半導體對光的吸收，（ii） 電子/空穴對的后續光生，（iii） 載流子向半導體表面的遷移，（iv） 載流子的復合。來源：IMDEA

在歐盟項目 HySolChem 中，您開發了一種用于太陽能 CO 的混合反應器2和氮 （N2） 轉換。混合反應器的原型是什么樣的，其初始運行的主要發現是什么？

De la Pe?a O'Shea：在 HySolChem 中，我們開發了一種混合太陽能反應器，可同時減少 CO?和/或 N?或否x生產有價值的燃料和化學品，同時處理廢水污染物，包括微塑料和有機污染物。這種創新的反應器集成了用于 CO 的光電陰極面?/N?還原、用于污染物氧化的陽極和離子交換膜進入太陽能流動系統（見圖 2）。編譯 陳講運

反應器的原型已擴展到技術就緒級別 5，并正在真實的污水處理廠環境中進行評估。初步作的主要發現包括成功開發具有高效率和穩定性的混合有機/無機光陰極面，以及基于地球上豐富的元素組成的陽極，可有效氧化微塑料和有機污染物。該反應器具有靈活的配置，使其可以在有光和無光的情況下工作。

圖 2：歐盟項目 HySolChem 中開發的多功能反應器方案。它包括一個基于有機/無機混合半導體的新型光陰極（右側的深灰色塊），旨在提高光吸收并減少電荷復合。還有一個先進的暗陽極設計，具有獨特的結構，可促進廢水中有機污染物和微塑料的氧化（左側的淺灰色塊）。這些與創新的離子交換膜相結合。圖示：HySolChem/ IMDEA

您將在任務 72 中研究的另一個主題是針對不同目標反應的選擇性催化劑的開發。您的研究小組研究了哪些合適的催化劑？

De la Pe?a O'Shea：確定最佳催化劑在很大程度上取決于所需的產品和所采用的特定化學反應。例如，在（光）電化學 CO? 還原反應中，銅是生產 C?+ 化合物的最有效候選化合物之一。這意味著碳鏈具有兩個以上的碳原子。相比之下，鉑仍然是最有效的制氫催化劑。

如果我們正在尋找對較長烴鏈的更高活性和選擇性，鈷和鐵等過渡金屬更合適。這些材料提供了有前途的活性，同時比貴金屬更豐富且更便宜。

您在 Task 72 工作計劃中提到了人工智能。您打算如何利用 AI？

De la Pe?a O'Shea：鑒于這些催化系統固有的復雜性，我們相信人工智能和自動化可以在加速發現新的、更高效、更具選擇性和穩定的光活性和催化材料方面發揮關鍵作用。我們小組正在積極開發人工智能驅動的自主實驗室，專為加速催化發現而設計。在這種情況下，自主實驗室是一個實驗平臺，人工智能不僅可以分析先前實驗的數據，還可以在最少的人工監督下自主提出、確定優先級和執行新實驗。

在我們的系統中，AI 模型經過訓練以檢測催化劑性能的模式，并使用預測算法來識別下一組信息最豐富的反應條件或材料成分。這種設置允許持續迭代和學習，人工智能充當“科學規劃者”，根據實驗結果完善其假設并調整其策略，從而能夠快速、智能地探索復雜的催化景觀。

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