研究目的
开发一种人工光合（APS）系统，利用太阳能从CO₂和H₂O高效且可调控地生产合成气，实现高转化率、可调节的CO/H₂比例以及高能量转换效率。
研究成果
APS系统实现了高速率、可调节的合成气生产，其基准太阳能-合成气效率达到13.6%，具有高法拉第效率和稳定性。与光伏电池集成后，整体量子效率提升至6.29%，展现出可扩展、低成本合成气生产的潜力，并推进了二氧化碳等小分子的可调节转化。
研究不足
由于气泡形成干扰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：
设计了一个模拟自然光合作用的双室APS电池，包含用于水氧化的光阳极和用于CO₂还原的阴极，两者由质子传导膜分隔。采用线性扫描伏安法（LSV）、莫特-肖特基分析和紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）进行表征。
2：样品选择与数据来源：
选用光阳极半导体（N-TiO₂、Sn-BiVO₄、Sn-Fe₂O₃）和阴极催化剂（S/N共掺杂石墨烯上的Ni-SNG）。使用气体（CO₂、Ar）和电解质（0.1 M NaOH、0.5 M NaHCO₃）。
3：1 M NaOH、5 M NaHCO₃）。 实验设备与材料清单：
3. 实验设备与材料清单：包括光阳极（N-TiO₂、Sn-BiVO₄、Sn-Fe₂O₃）、阴极（Ni-SNG）、Nafion膜、电解质、气相色谱仪（GC）、核磁共振波谱仪、扫描电化学-原子力显微镜（SECM-AFM）、太阳光源（100 mW·cm⁻²）、恒电位仪和光伏（PV）电池。
4：实验步骤与操作流程：
组装APS电池，分为光反应室（0.1 M NaOH，Ar）和暗反应室（0.5 M NaHCO₃，CO₂）。在太阳光照下施加电压（0.0-2.1 V）；通过GC检测气态产物（CO、H₂、O₂）；进行稳定性测试和量子效率测量；与光伏电池集成以实现全太阳能驱动运行。
5：1 M NaOH，Ar）和暗反应室（5 M NaHCO₃，CO₂）。在太阳光照下施加电压（0-1 V）；通过GC检测气态产物（CO、H₂、O₂）；进行稳定性测试和量子效率测量；与光伏电池集成以实现全太阳能驱动运行。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：利用LSV曲线、气体析出速率和化学计量计算，分析光电流密度、法拉第效率、量子产率和太阳能-化学转化效率。
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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 reactants.
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Gas chromatography
Detection and quantification of gaseous products (CO, H2, O2) evolved during the APS cell operation.
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Nuclear magnetic resonance spectrometer
Detection of liquid products; none were found in the experiments.
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Scanning electrochemical-atomic force microscopy
SECM-AFM
Visualization of electron collection and localization on single-Ni atom sites of the Ni-SNG catalyst under bias voltages.
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Photovoltaic cell
Providing electrical voltage to drive the APS cell in all-solar-driven operation; used in tandem to increase output voltage.
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Potentiostat
Application of extra voltage to transport photogenerated electrons from photoanode to cathode in the APS cell.
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