路璐教授在Cell子刊《Joule》上發表論文：水-能源-碳關聯領域取得新進展
日前，中國工程院院士、哈工大（深圳）教授任南琪領銜的城市水安全智慧管控團隊核心成員，哈工大（深圳）土木與環境工程學院路璐教授在水-能源-碳關聯研究領域取得新進展，相關成果於9月21日以研究論文形式發表於Cell旗下能源旗艦子刊《Joule》（影響因子27.054），論文題目為“Spontaneous sola r syngas production from CO2 driven by energetically favorable wastewater microbial anodes” （Lu. et al., Joule. 2020, 4, 1-13. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.08.014）。
該論文報道了一種同時從汙水和太陽光中獲取能量，自發還原溫室氣體CO2和H2O，生成重要工業原料—合成氣（CO和H2混合物）並同步淨化汙水的新方法。路璐為論文第一作者，哈工大（深圳）為第一完成單位，合作單位美國普林斯頓大學、聖地亞哥州立大學為通訊單位，該研究得到了深圳市海外高層次人才創新創業計劃團隊項目的資助。
路璐介紹說，化石燃料的使用釋放出大量CO2，加劇了全球暖化。利用可再生能源將CO2轉化為可儲存、運輸的燃料或高價值化學品，不僅有助於利用光能等間歇性可再生能源，同時可以減少CO2排放，實現碳中和，這代表了當今可持續能源發展的最新研究方向，但由於CO2分子的熱力學穩定性和動力學惰性，如何高效地實現CO2還原（CO2RR）一直是研究的難點。近年來，光電催化CO2RR由於其高效、易於利用光能的特點，受到科學家的廣泛關注，但這一技術在實際運用中，往往需要外加電壓以克服CO2RR的能量勢壘，很難實現自發反應。另一方面，汙水處理工業每年消耗全球約3%的電能，同時，由於汙染物降解導致排放全球約1.57%的溫室氣體，而汙水中廢棄有機物蘊含的化學能為約為所消耗電能的9倍。在這種情況下，如果能在汙水處理過程中回收這部分可再生能量，將其用於還原CO2為化學燃料，便有望在一個系統內同時解決水-能源-碳可持續發展所面臨的問題。
有別於傳統光電催化通過氧化水來為CO2RR提供電子，本研究提出用微生物電化學氧化（MEO）汙水中的廢棄有機物來產生電子。通過回收有機物中的化學能，可將光電催化CO2RR的能耗降低80%，實現自發反應，同時實現汙水處理、可再生能源回收與減碳。MEO為近年來環境科學領域的重要發現，其通過電活性細菌氧化汙水中的廢棄有機物（如碳水化合物、蛋白質、纖維素、有機酸、碳氫化合物等），將化學能轉化為電能。如果將MEO陽極與半導體光陰極耦合，來構建新型的微生物光電化學（MPEC）系統，將大大降低氧化還原反應的總能量需求（圖1A）。以氧化廢水中的醋酸為例，利用MPEC還原CO2為CO，熱力學能耗可由1.34 V降低至0.24 V。用MEO替代水氧化反應更為重要的科學意義在於，間接降低了人工光合系統對半導體能帶的要求（圖1A），允許使用禁帶寬度較小的半導體，在可見光條件下實現自發CO2還原反應。
該研究以啤酒廠有機廢水為處理對象，Ni單原子為CO2還原催化劑，硅納米線為半導體材料，開發了新型能量管理電路，可主動收集、儲存多個MEO的能量輸出，用於克服CO2RR的能量壁壘和過電位，自發產生1.0~1.2 mA cm-2的光電流密度。還原CO2為CO的法拉第效率可達80%以上，生成合成氣的法拉第效率高於96.6%，合成氣的CO:H2比例可在0.1~6.8範圍內調節（圖2），同時廢水中有機物的去除率可達90%以上。
據悉，這是路璐教授課題組繼提出汙水處理過程中的碳捕獲和利用（Lu. et al., Nature Sustainability. 2018, 1: 750-758. 影響因子 12.08, Nature子刊）、實現人工光合自發汙水產H2（Lu. et al., Energy & Environmental Science. 2019, 12: 1088-1099. 影響因子 30.289）後，在水-能源-碳關聯領域取得的又一項創新性研究成果，將為生態環境保護貢獻哈工大力量。（編輯 謝梁暉）
圖1. (A）半導體能帶結構示意圖;（B）MPEC系統驅動的CO2RR製備合成氣示意圖
圖2. 光電極表徵和電化學性能測試. (A~D）Ni單原子的HAADF-STEM圖片;（E~H）負載Ni單原子的硅納米線的SEM圖片; (I~J) 光陰極電化學性能測試
