研究目的
展示了一种人工光合系统，该系统能以高产率从二氧化碳和水制备合成气，并具有可调节的CO/H2比例及高能量转换效率。
研究成果
APS电池设计能够高效、可调地利用二氧化碳和水生产合成气，具有高转化效率和稳定性，尤其在使用N-TiO2光阳极时表现突出。与光伏电池集成可提升量子效率，展现出在大规模低成本合成气生产及推进二氧化碳等小分子可调转化方面的应用前景。
研究不足
由于气泡形成阻碍界面电荷转移导致光电流频繁跳变；Sn-BiVO4光阳极在30分钟后出现光腐蚀现象；大规模应用的可扩展性与成本优化仍需进一步开发。
1：实验设计与方法选择：
基于天然光合系统设计了两室人工光合（APS）电池，其中光阳极用于水氧化，阴极用于二氧化碳还原，两室由质子传导膜分隔。采用线性扫描伏安法（LSV）和莫特-肖特基分析对光阳极和阴极进行表征。
2：样品选择与数据来源：
选取了三种光阳极半导体（N-TiO₂、Sn-BiVO₄、Sn-Fe₂O₃）和一种Ni-SNG阴极催化剂。样品制备采用改进的文献方法。气态产物通过气相色谱仪（GC）和核磁共振波谱仪（NMR）进行分析。
3：实验设备与材料清单：
带石英窗的APS电池、Nafion膜、0.1 M NaOH和0.5 M NaHCO₃溶液、氩气和二氧化碳气体、太阳光源（100 mW·cm⁻²）、恒电位仪、光伏电池、气相色谱仪（GC）、核磁共振波谱仪（NMR）、扫描电化学-原子力显微镜（SECM-AFM）。
4：1 M NaOH和5 M NaHCO₃溶液、氩气和二氧化碳气体、太阳光源（100 mW·cm⁻²）、恒电位仪、光伏电池、气相色谱仪（GC）、核磁共振波谱仪（NMR）、扫描电化学-原子力显微镜（SECM-AFM）。 实验步骤与操作流程：
4. 实验步骤与操作流程：将APS电池组装为光阳极置于氢氧化钠溶液（氩气环境）中，阴极置于碳酸氢钠溶液（二氧化碳环境）中。在太阳光照下施加工作电压（0.0-2.1 V）。监测气体随时间产生情况，调节电压以控制H₂/CO比例。集成光伏电池以实现全太阳能驱动装置。使用SECM-AFM可视化催化剂上的电子局域化。
5：0-1 V）。监测气体随时间产生情况，调节电压以控制H₂/CO比例。集成光伏电池以实现全太阳能驱动装置。使用SECM-AFM可视化催化剂上的电子局域化。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：通过GC分析气体组成，计算法拉第效率、量子效率、太阳能-化学转化效率和转换频率。利用LSV和莫特-肖特基曲线确定能带结构和起始电位。
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Nafion membrane
Proton-conducting membrane separating the two compartments of the APS cell to allow proton transfer while preventing mixing of electrolytes.
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Gas chromatography
Used to detect and analyze the gaseous products (CO, H2, O2) formed in the APS cell compartments.
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Nuclear magnetic resonance spectrometer
Employed to detect liquid products, though none were found in the experiments.
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Scanning electrochemical-atomic force microscopy
SECM-AFM
Used to visualize the collection and localization of electrons on the single-Ni atom sites of the Ni-SNG catalyst, confirming the kinetic priority of CO2 reduction.
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Photovoltaic cell
Integrated with the APS system to provide additional voltage for electron transport, enabling all-solar-driven syngas production.
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Potentiostat
Applied extra voltage to transport photogenerated electrons from the photoanode to the cathode in the APS cell.
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