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Photoelectrochemical hybrid cell for unbiased CO2 reduction coupled to alcohol oxidation

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作者
Daniel Antón‐García,Esther Edwardes Moore,Mark A. Bajada,Annika Eisenschmidt,Ana Rita Oliveira,Inês A. C. Pereira,Julien Warnan,Erwin Reisner
出处
期刊:Nature Synthesis [Springer Nature]
卷期号:1 (1): 77-86 被引量:78
标识
DOI:10.1038/s44160-021-00003-2
摘要

The reduction of CO2 to renewable fuels must be coupled to a sustainable oxidation process to devise a viable device that produces solar fuels. In photoelectrochemical cells, water oxidation to O2 is the predominant oxidation reaction and typically requires a pair of light absorbers or an applied bias voltage when coupled to CO2 reduction. Here, we report a bias-free photoelectrochemical device for simultaneous CO2 reduction to formate and alcohol oxidation to aldehyde in aqueous conditions. The photoanode is constructed by co-immobilization of a diketopyrrolopyrrole-based chromophore and a nitroxyl-based alcohol oxidation catalyst on a mesoporous TiO2 scaffold, which provides a precious-metal-free dye-sensitized photoanode. The photoanode is wired to a biohybrid cathode that consists of the CO2 reduction enzyme formate dehydrogenase integrated into a mesoporous indium tin oxide electrode. The bias-free cell delivers sustained photocurrents of up to 30 µA cm−2 under visible-light irradiation, which results in simultaneous aldehyde and formate production. Our results show that in the absence of an external bias, single light absorber photoelectrochemical cells can be used for parallel fuel production and chemical synthesis from CO2 and alcohol substrates. In photoelectrochemical (PEC) cells, water oxidation to O2, when coupled to CO2 reduction, typically requires a pair of light absorbers or an applied bias voltage. Now, a bias-free PEC cell with a single sunlight absorber drives simultaneous CO2 reduction to give formate, and the oxidation of an organic substrate in aqueous conditions.
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