新方法结合了生物质转化太阳能转换

几十年来，科学家们一直致力于利用太阳光中的能量来驱动化学反应，形成氢气等燃料，为未来的使用提供储存太阳能的方法。为此，许多研究人员一直致力于开发功能，高效和经济的方法，使用光电化学太阳能电池(PEC)将水分解为氢气，清洁燃料和氧气。尽管使用电化学电池分流水需要电能输入，但PEC可以利用太阳能来驱动水分解反应。PEC需要显着减少的电能输入或根本不需要电能。

在典型的产氢PEC中，阴极处的水还原(产生氢)伴随着阳极处的水氧化(产生氧)。虽然电池的目的不是产生氧气，但阳极反应是完成电路所必需的。不幸的是，水氧化反应的速率非常慢，这限制了总反应的速率和太阳能-氢转化的效率。因此，研究人员目前正致力于开发更有效的催化剂以促进阳极反应。

Choi和博士后研究员HyunGilCha选择采用一种全新的方法来解决这个问题。他们开发了一种具有新阳极反应的新型PEC装置。该阳极反应需要较少的能量并且比水氧化更快，同时产生工业上重要的化学产品。他们在他们的研究中使用的阳极反应是5-羟甲基糠醛(HMF)氧化成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。HMF是生物质转化的关键中间体，可以从纤维素中获得-纤维素是一种廉价且丰富的植物物质。FDCA是用于生产聚合物的重要分子。

生物质转化可以提供生产工业过程中使用的化学品的可行途径，而无需使用石油产品。常规的生物质转化方法使用高压氧在高温下将HMF转化为FDCA。然而，Choi和Cha开发了一种有效的电化学方法，使用水作为氧源，在室温和环境压力下将HMF氧化成FDCA。然后他们使用这种氧化反应作为PEC的阳极反应，在阴极产生氢。通过这样做，他们证明了太阳能用于生物质转化的效用以及使用氧化生物质转化反应作为形成氢的PEC中的阳极反应的可行性。

“由于光电化学电池是为了制氢而制造的，而HMF氧化只是取代了阳极的氧气产生，实质上，没有资源专门用于HMF氧化，”Choi说。

换句话说，FDCA是来自产生氢的PEC的额外副产物。在阳极上生产有价值的化学品FDCA降低了氢的生产成本。因此，这种新方法为太阳能转换和生物质转化研究提供了新的可能性。

“当我们第一次开始这项研究时，我们不确定我们的方法是否真的可行，”Choi说。“但是，由于我们知道研究成功后影响可能很大，我们决定将这些时间和精力投入到生物质转化和太阳能转换界面的新研究项目上。”

研究中展示的每个完整太阳能电池设置的开发和优化使研究人员花了两年时间。Choi预计，开发更多样化和高效的电化学和太阳能驱动的生物质转化工艺将提高太阳能燃料生产PEC的效率和效用。

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