探索用于能源转换的功能有机材料

弗碳可以帮助我们推动工业社会的脱碳。功能性碳粒子(称为碳点)可以将阳光转化为能量并从水中提取氢气。埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学 (FAU) 的化学家 Dirk M. Guldi 教授研究了此类纳米粒子的分子结构，并在这一过程中使用了人工智能。

Dirk M. Guldi 教授与来自捷克共和国、阿根廷和斯洛伐克的研究人员合作，在最新一期的《Chem》杂志上发表了基于易得、生物相容性强且成本高效的碳纳米域的光催化活性系统的最新研究现状，题为“设计碳点以增强光催化作用：挑战与机遇”。

碳点

“太阳能为我们提供的能量是 2050 年全球所需能量的 4,000 倍，”Dirk M. Guldi 教授说。“如果我们真的想实现气候中和并采用可持续能源管理，就无法绕过这种取之不尽的能源。”

作为佛罗里达大西洋大学物理化学 I 系主任，古尔迪研究了利用和转换光的有机纳米材料的结构和潜力。这里的重点是碳纳米粒子，即碳点，与传统的半导体材料和金属催化剂不同，碳点可以精确设计并缩放到任何尺寸。“这些有机材料的巧妙之处在于它们几乎可以无限供应，而且价格低廉，因为它们可以从有机废物或空气中的二氧化碳中获得。它们也无毒且易于回收，”古尔迪说。

光伏：效率并不是一切

例如，有机材料的优势已导致人们重新思考如何优化光伏发电。“几年来，人们主要关注的是效率，而硅模块的效率几乎已经达到极限，”古尔迪解释道。“直到最近，人们才开始采取更全面的开发方法。”

这意味着，除了效率之外，环境可持续性和应用范围等方面也变得越来越重要。Guldi 说：“目前销售和安装的大多数太阳能模块都是由复合材料制成的，这些材料要么无法分离，要么很难分离。它们要么最终被填埋，要么被粉碎并用于修建道路等。

“另一方面，有机光伏组件可以部分重复使用，甚至可以堆肥。它们可以印刷在薄基板上，并且灵活透明，可以集成到窗户和建筑物外墙上，用于室内，或作为田野的屋顶，在其下方种植植物。不透明和刚性的硅模块无法做到这一点。”

光催化：储存挥发性能量

然而，有机光伏无法避免的一个事实是，太阳能和风能一样，是一种可再生但不稳定的能源。“因此，我们必须找到通过在分子水平上结合太阳能来储存太阳能并尽可能减少损失的方法，”古尔迪教授说。人们对氢气作为临时化学储存寄予厚望，氢气在水中的供应量是无限的，但释放氢气需要大量的能量。

解决这一问题的一个备受讨论的策略是利用可再生能源电解水，无论何时何地，只要可再生能源充足。古尔迪说：“然而，要做到这一点，我们首先必须发电来分解氢，然后再将其重新转化为电能。你已经猜到，这个过程的能量平衡并不好。”

因此，人工光合作用正日益成为争论的焦点，即阳光可以被困在一个封闭的系统中，而不必通过电解“绕道”。“我确信未来属于太阳能水分解，”Dirk Guldi 说。“但为了保持一致性，我们应该使用功能性有机材料迈出这一步。”

目前，大多数光催化剂都是基于金属化合物。然而，金属催化剂至少有两个严重的缺点：所用材料具有特定的带隙，这意味着没有简单或可扩展的方法来改变其光催化特性以提高效率。

“第二个问题是，如果金属催化剂暴露在盐水中，它们的寿命就会很短。考虑到地球上许多地区的水源越来越稀缺，这正是未来制氢所需的原材料，”古尔迪补充道。

来自化学组的分子设计

有机光催化剂可能优于金属催化剂。碳点的无定形或不规则结构注定会结合各种分子，从而使其功能适应应用。“正是这种结构多样性是我们面临的最大挑战，”古尔迪解释说。“我们需要更深入地了解有机纳米材料的结构和活性之间的关系。”

研究人员的目标是解开这些分子的秘密，从而能够设计出具有精确定义的光物理特性的碳点。在此过程中，Dirk Guldi 和他的同事也在使用人工智能的方法。

“我们越来越多地使用机器学习，既用于优化有机光伏电池，也用于碳催化剂的设计过程，”他解释道。“与我们的合作伙伴一起，我们已经开始自动化我们的实验，并在数字孪生中映射所有步骤。如果我们的想法奏效，我们将能够使用一种分子化学装置，避免多次重复，并更快地取得突破。”

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