[发明专利]具有纳米线-纳米颗粒体系结构的CO2

说明书

化学电池的电极包括具有表面的基材，由基材支撑并从基材表面向外延伸的传导凸出物的阵列，传导凸出物阵列的每一传导凸出物具有在化学电池中用于二氧化碳(CO₂)催化转化的半导体组合物，和在纳米线的阵列上方布置的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有在化学电池中用于CO₂催化转化的金属性组合物。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向尺寸小至少一个数量级。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年7月25日提交的并且指定序列号62/878,607的题目为“CO₂Conversion with Nanowire-Nanoparticle Architecture”的美国临时申请的权益，其整个公开内容由此通过引用专门并入。

公开内容背景

公开内容领域

公开内容通常涉及二氧化碳(CO₂)的光电化学和其它化学转化成甲酸。

相关技术简要描述

二氧化碳(CO₂)与水(H₂O)的光电化学(PEC)还原成燃料和化学品(所谓的人工光合)是储存间歇性太阳能和缓解人类活动碳排放的有前景的策略。在各种CO₂还原产物中，甲酸(HCOOH)是能量密集的液体燃料和工业中非常有用的化学品。转化为甲酸仅需要两个电子转移，并因此相对于其它复杂产物例如CH₃OH、CH₄、C₂H₄和C₂H₅OH在动力学上有利产生。然而，由于CO₂的化学不活泼、CO₂转化的复杂反应网络和析氢的严重竞争，在低过电位下以大转换频率(TOF)将CO₂有效且选择性光电化学还原为HCOOH仍然是实质性的挑战。

具有半导体光吸收体的光电阴极和电催化剂已用于从CO₂还原的HCOOH的人工光合成。已开发了各种电催化剂例如分子络合物、酶和金属(例如Pb、In、Cu和Sn)连同各种半导体，用于CO₂至HCOOH转化。尽管有一些显著的成就，但是由于低的日光收集效率、缓慢的电荷载流子提取、低的原子利用效率和无效的CO₂活化，这些光电极的效率仍然远达不到任何实际应用。

公开内容概述

按照公开内容的一个方面，化学电池的电极包括具有表面的基材，由基材支撑并从基材表面向外延伸的传导凸出物的阵列，传导凸出物阵列的每一传导凸出物具有在化学电池中用于二氧化碳(CO₂)催化转化的半导体组合物，和在传导凸出物的阵列上方布置的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有在化学电池中用于二氧化碳(CO₂)催化转化的金属性组合物。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比传导凸出物阵列的每一传导凸出物的横向(lateral)尺寸小至少一个数量级。

按照公开内容的另一方面，光电化学电池的光电阴极包括基材，所述基材包括光吸收材料，该光吸收材料配置成在阳光照时产生电荷载流子，由基材支撑的纳米线阵列，纳米线阵列的每一纳米线配置成从基材提取电荷载流子，纳米线阵列的每一纳米线包括氮化镓，和跨纳米线阵列的每一纳米线分布的多个纳米颗粒，多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有金属性组合物用于将光电化学电池中的二氧化碳(CO₂)催化转化成甲酸。多个纳米颗粒的每一纳米颗粒具有的尺寸比纳米线阵列的每一纳米线的横向尺寸小至少一个数量级。