高效可见光响应微生物/光电化学耦合人工光合作用系统

人工光合作用系统可以利用太阳能将二氧化碳转化为高附加值的化学产品，能够有效地解决人类面临的能源与环境问题，极具发展前景。然而，人工光合作用系统面临产物选择性差、过电位高、太阳能利用率低等重大挑战。本文提出了一种新型微生物/光电化学耦合人工光合作用系统，该系统由固碳产甲烷微生物阴极和复合光阳极组成，其中复合光阳极由TiO₂电极与硅太阳能电池串联组成。该耦合系统在仅输入太阳能且不施加外部偏压的条件下，可实现化学燃料甲烷的产生。甲烷产量高达（10.7±0.2） L·d^-1·m^-2，相比已有研究高出13倍，同时该耦合系统固碳产甲烷的法拉第效率高达98.5%±2.1%，远高于传统的人工光合作用系统。该新型人工光合作用系统的提出，为制取具有高附加值的化学产品和发展可再生能源提供了新的思路。     

基于Cu/TiO2/C-Wood复合材料的聚光太阳能驱动自漂浮高效海水汽化催化分解制氢体系

利用储量丰富且易获得的太阳能和海水资源为人类提供可持续的清洁能源是一项具有深远影响的探索。在本工作中，设计合成了一种自漂浮复合材料（Cu/TiO₂/C-Wood），该材料具有高效的毛细输液、全光谱太阳能光热转化及光-热协同催化能力，可通过快速的界面相转移过程实现太阳能驱动海水汽化与水蒸气催化分解制氢的一步协同增效反应。其中，具有大量微通道和极轻质量的碳化木（C-Wood）作为漂浮载体，通过毛细作用将液态水快速输送至局部升温的C-Wood表面，借助高效光热转化过程使海水汽化脱盐，同时负载等离子金属Cu的TiO₂纳米粒子作为催化活性组分触发水蒸气光-热协同催化分解制氢反应，从而实现太阳能驱动高效海水汽化催化分解制氢。实验结果表明：该复合材料在15 kW·m^-2的光照条件下，产氢速率达到179 μmol·h^-1·cm^-2（35.8 mmol·h^-1·g^-1），且在循环利用5次后产氢速率仍基本保持不变。更重要的是，通过聚光太阳能和自漂浮毛细输液条件的共同作用，可以获得海水中主要成分氯化钠对产氢性能的显著促进，从而打破了海水制氢技术一直以来面临的氯离子副作用瓶颈问题，证实了聚光太阳能驱动自漂浮高效光热协同催化体系在规模化、绿色、可持续太阳能海水制氢中的应用潜力。     

全球首套规模化太阳燃料合成示范项目试车成功

<正>2020年1月17日,新年伊始,全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在兰州新区绿色化工园区试车成功。该项目迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的第一步。太阳燃料合成是指利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电,进而电解水制备绿氢、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料,把可再生能源存储在液体燃料中。简言之就是利用太阳能等可再生能源、二氧化碳和水,生产清洁可再生的甲醇等液体燃料(故又被形象地称为"液态阳光")。这将是未来解决二氧化碳排放的根本途径之一,也是将间歇分散的太阳能等可再生能源收集储存的一种储能技术,是"道法自然光合作用",实现人工光合成绿色能源的一种过程。     

美国：CO2借太阳能制生物柴油工艺

美国Joule生物技术公司宣布，已开发出太阳能制生物柴油工艺。该公司开发可再生燃料，通过工程化微生物，以太阳能为推动力，达到二氧化碳（CO2）直接微生物转化成为烃类。Joule生物技术公司正在开发新的光合成驱动途径，以生产可再生燃料，这可避免多步法纤维素或海藻生物质生产方法的经济性和环境问题。     

光催化CO2还原制碳氢燃料系统优化策略研究

光催化CO₂还原制碳氢燃料技术由太阳能直接驱动，将CO₂转化为可直接利用的化学品，是助力碳达峰、碳中和的变革性技术。该技术的高效、低成本运行受光吸收利用、光催化剂形貌结构、界面催化反应及传质等因素影响，其内部能质传输是多时空尺度、多物理场耦合的复杂过程，需要从理论和应用两方面结合多个学科展开系统研究。梳理了光催化CO₂还原基本理论及国内外研究进展，并针对技术瓶颈从光吸收拓展与利用、光生载流子分离强化、氧化/还原半反应优化及传质强化四个优化策略指出了该技术发展方向，探讨了该技术全流程能量传递和物质转化之间的耦合匹配准则，为降低反应能耗、促进性能及产率提升甚至未来工业化大规模太阳能驱动CO₂还原应用铺垫道路。     

光催化-生物杂合系统设计优化用于燃料和化学品绿色合成

光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物杂合系统可分为：光催化-生物酶杂合系统和光催化-微生物杂合系统两大类。光催化-生物酶杂合系统根据作用机制细分为：辅因子介导的间接反应体系、直接电子传递的反应体系以及混合型光催化-生物酶杂合系统;光催化-微生物杂合系统分为：直接电子传递的胞外供能模式、化学物质介导的胞外供能模式以及胞内的能量供给模式。对这些模式的具体作用机制,以及存在的优缺点和关键问题做出了综合评述,并对该领域提出了未来展望。     

华东理工大学在人工光合成领域取得重要进展

正最近,华东理工大学材料学院杨化桂教授课题组在人工光合成领域取得重要进展,研究成果以"设计介孔单晶氧化铁驱动高效太阳能分解水"为题,发表在纳米材料领域国际权威期刊《纳米快报》上。据悉,这一研究成果有望为单晶陷光结构半导体材料的可控合成提供重要设计原则,并为太阳能转化和存储等相关领域功能材料(催化剂)的设计和制备     

MES捕获CO2及高效催化转化研究进展

微生物电合成(Microbial electrosynthesis，MES)为二氧化碳还原为乙酸盐和其他多碳物提供了一条可持续的生化转化途径，利用电能驱动微生物固定CO2具有原料容易、操作条件温和、不含有毒物质、环境可持续性等特点，为全球碳中和、碳减排带来了新机遇。在研究人员对提高产率、转化效率、碳链延长方面的深入研究下，基于对电极材料的选择、修饰，菌群的驯化，操作条件的限制，乙酸最高产率达1330g/(m2?d)，催化转化C1废气并耦合二次发酵生产了C2-C4产物以及具有更长碳链的中链脂肪酸。在概述阴极电活性微生物吸收胞外电子的分子机制捕获和转化CO2的基础上，综述了合成有机酸的代谢原理、二维和三维等电极材料使用现状以及提高产物产率、产物及碳链延长的方法，并对未来MES的研究方向做出了展望。     

CO2的电驱动还原

CO₂的过量排放已威胁到了环境与能源的可持续发展,通过化学或生物手段将其转化为化工原料或生物燃料能够有效缓解由CO₂过量排放造成的能源与环境压力。然而CO₂的还原过程是非自发且缓慢的,依赖于外部提供的能量和催化剂。如何实现长效的能量供给并针对性开发高性能的催化剂是CO₂回收转化技术的重点。利用稳定、清洁的电能作为驱动力,在催化剂的协同下将CO₂增值为化学品并实现碳中性循环。这种策略被称为CO₂的电驱动还原,在CO₂转化方面优势显著。从CO₂无机电催化和CO₂微生物电合成2个方面综述了近年来CO₂电驱动还原的研究进展。首先,对比和讨论了CO₂的无机电催化中不同类型的电催化剂的特性,以及优化和改性的手段。其次,总结阐明了微生物电合成中电极与微生物催化剂之间直接和间接的电子传递方式,并重点讨论了不同电子载体（H₂、甲酸、天然和人工的氧化还原电子载体）介导的间接电子传递的相关工作。最后总结展望了CO₂电驱动还原系统的发展。     

定向转化策略创制氮氧化物光催化剂

太阳能高效转化与利用是解决能源和环境两大问题的理想途径,而提高窄禁带半导体的光催化活性是有效利用太阳能资源的重要策略。其中,氮氧化物在可见光区有较强的吸收,被认为是一种潜在的可见光区光催化材料。当前,氮氧化物主要通过热氮化获得,即氨气在1 173~1 373 K条件下持续通过氧化物10 h以上。由此制备的氮氧化物往往只暴露低活性晶面,且生成的大量还原态缺陷可作为光生电荷的复合中心,严重制约了其在光催化领域的广泛应用。为此,总结了一种定向转化策略创制高质量氮氧化物光催化材料。该策略通过选取含挥发组分的氧化物前驱体实现对氮氧化物缺陷和晶面的有效调控,为其在太阳能光催化领域中的广泛应用奠定基础。同时,此定向转化策略可拓展到其他材料体系,为开发高效光催化剂提供新思路。     

金属氧化物与微生物相互作用及其在能源环境领域的应用

近年来,随着太阳能被引入微生物燃料电池领域,微生物电化学-光电化学协同产电、产燃料或净化环境的技术成为研究热点。太阳能转化的常用媒介是金属氧化物,探究其与微生物间的相互作用对认清协同机理、提高体系效率等方面有重大意义。综述了不同类型的金属氧化物-微生物相互作用的研究工作,包括微生物-金属氧化物间物理吸附作用、微生物对金属氧化物的矿化和风化作用、微生物-金属氧化物协同产电产燃料系统、金属氧化物光催化杀菌以及光电-微生物电化学协同治理有机污染物或重金属污染,提出了更高效的微生物电化学-光电化学体系的构建方法,为微生物-光催化材料协同体系的实际应用提供帮助。     

卟啉-TiO_2复合光敏催化剂的研究进展

卟啉-TiO_2复合光敏催化剂以其独特的性能成为研究热点,在可见光范围内有着强吸收的卟啉负载于具有良好光催化活性的TiO_2上,两者形成"有机-无机"复合光敏催化材料,不断地得到发展和应用。简述了卟啉类化合物的合成方法,介绍了卟啉敏化TiO_2的作用过程及其优点,总结了卟啉-TiO_2复合光敏催化剂在光催化氧化还原反应、新型光限幅材料、光敏电池及有机污染物的光降解等领域的应用,并对今后的发展方向进行了展望。     

外源电子与天然矿物对产甲烷菌生长代谢的影响

产甲烷菌作为重要的环境微生物,能够进行有效的电子传递和能量转化,在清洁能源的开发和利用方面具有重要意义。综述了产甲烷菌对互营细菌的胞外电子、电极电子及元素价电子等外源电子的利用能力,探讨了天然矿物通过提高电子传递效率、参与氧化还原反应及提供光生电子等多方式参与并调控产甲烷菌生长代谢,并展望了提高产甲烷菌代谢能力的策略。     

光敏变色材料

光敏变色材料在美国、西德、日本等国已做了大量工作,得到一定的发展。所谓光敏变色材料即是由于光照,随着吸收光谱的变化,该材料的颜色或其光的吸收特性发生动态变化,且颜色能发生可逆变化的物质。这些材料主要用于光学记录介质、信息显示、光学贮存、光学保护以及装饰等方面,应用范围很广。本文对各类有机光敏变色材料及其变色机理、合成途径、应用领域等作扼要介绍。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

二氧化碳和氢气转化为液体燃料的研究进展

非光合作用法固定CO2可使其转化为有用的工业化学前驱体和燃料。开发电燃料生产微生物需要用到合成生物学、遗传代谢工程和计算机模拟。利用大量微生物和能源可生产多种目标分子。对当前电燃料工程进行考察主要是集中研究氢气利用有机体中氢化酶和碳酸酐酶的生物化学特性,并对已知碳固定途径进行动力学和能量学分析,研究当前和可能成为电燃料生产微生物的遗传系统状态。     

电极改性强化微生物燃料电池产电同步降解有机污染物研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物作为催化剂就能实现同步产电及降解有机污染物的绿色能源装置.电极作为MFC的重要组成部分,在提高污染物降解及产电能力方面发挥着至关重要的作用.介绍了MFC电极,主要包括碳基/合成材料修饰电极、导电聚合物/复合物修饰电极、金属/金属氧化物修饰电极及其他材料修饰电极及其最新研究进展,对MFC电极材料在废水处理领域的应用进行了展望.     

新型太阳能蒸汽系统及光热材料研究进展

新型太阳能蒸汽技术是一种绿色环保的太阳能光热利用技术,因其简单高效且应用前景广泛而备受关注。高效的太阳能蒸汽系统应该同时具有优异的热管理能力、水输入和水蒸发性能以及具有宽光谱吸收光热层。本文首先从新型太阳能蒸汽系统出发,介绍分散型和漂浮型蒸汽系统,并阐述了两种蒸汽系统的基本原理、各自特点以及系统装置的研究进展;而后较为详细地介绍了各类光热材料的性能、光热转换机理及制备方法;最后探讨了新型太阳能蒸汽系统目前存在的问题以及今后的主要研究方向。     

首套千吨级太阳能发电、电解水制氢、二氧化碳与氢气合成甲醇示范项目试车成功

2020年1月17日,首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在兰州新区绿色化工园区试车成功。该项目迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的第一步。太阳燃料合成是指利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电,进而电解水制备氢气、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料,把可再生能源存储在液体燃料中。