01
項目概要
項目概要
日本國家研究開發(fā)法人新能源產業(yè)技術開發(fā)機構(NEDO)在二氧化碳原料制造工藝技術開發(fā)(人工光合作用項目)中,利用太陽能和光催化劑,致力于開發(fā)太陽能氫氣和二氧化碳為原料的基礎化學品(C2-C4 烯烴)生產過程的基礎技術。該項目包括三個研發(fā)主題,是有助于減少二氧化碳排放的創(chuàng)新技術發(fā)展之一。
NEDO 和人工光合化學工藝技術研究協(xié)會 (ARPChem)目前正在東京大學、富士膠片株式會社、TOTO 株式會社、三菱化學株式會社等機構致力于人工光合系統(tǒng)的社會實施。
具體來說,該技術設計并開發(fā)了一種光觸媒面板反應器,該反應器的結構是產生的混合氣泡可以順暢地移動,即使著火也不會爆炸,通過連接它們,可以創(chuàng)建 100 平方米的光觸媒面板反應器。它即使在室外環(huán)境中,混合氣體也會持續(xù)產生一年左右。此外,光催化板反應系統(tǒng)的氣體分離模塊能夠從混合氣體中分離出高純度的太陽能氫氣。經過證明,無論日照條件如何,都可以適當?shù)乜刂茪怏w流量,從而可以保持穩(wěn)定的氣體分離性能,并且可以在不損害其功能的情況下在室外運行數(shù)月。此外,通過合理設計光催化反應體系,在室外試驗過程中沒有發(fā)生自燃或爆炸。
這項研究的結果于英國時間2021年8月25日星期三發(fā)表在了英國科學期刊《自然》的新聞版上。
02
人工光合作用的三個過程
(1)利用陽光和光觸媒將水分解成氫氣和氧氣人工光合作用的三個過程
“光觸媒”在將水分解成氫氣和氧氣的過程中起著重要的作用。當一片浸在水中的催化劑暴露在光線下時,它會在沒有電的情況下將水分解成氫氣和氧氣。由于它利用太陽能,因此在生產階段不會產生二氧化碳。在人工光合作用中,“能量轉換效率”,即太陽能生產氫氣的效率非常重要。安裝光伏發(fā)電面板等光觸媒時,預計可大幅降低成本,與已實現(xiàn)7%轉換效率的串聯(lián)型一起,進一步推進技術開發(fā)。在實施人工光合作用方面,該項目的光催化劑作為世界領先技術備受矚目。
(2)使用分離膜從產生的氫氣和氧氣的混合氣體中分離氫氣。
由于氫氣和氧氣的混合氣體容易發(fā)生爆炸,因此在社會實施中安全高效地分離氫氣和氧氣非常重要。在項目中,不僅要開發(fā)高性能的“分離膜”(從混合氣體中分離氫氣),還要開發(fā)高度安全的分離模塊。
(3) 采用催化技術,使氫氣和二氧化碳反應生成烯烴。
“合成催化劑”對于通過分離出的氫氣與二氧化碳反應來生產烯烴是重要的,烯烴是塑料等的原料。人工光合作用利用太陽能從水中提取氫氣。 通過利用發(fā)電廠和工廠排放的氫氣和二氧化碳生產烯烴,過去排放二氧化碳的化學制造過程將轉變?yōu)槎趸嘉者^程。
不僅減少二氧化碳,而且將其用作資源(碳回收)。 人工光合作用技術有望實現(xiàn)保持碳排放和吸收平衡的“新碳社會”,將為不依賴化石資源的原材料多樣化和全球變暖對策做出巨大貢獻。
03
此次研究的成果
此次研究的成果
(1) 光催化板式反應器的開發(fā)
NEDO 與 ARP Chem 全新設計開發(fā)了可量產、互聯(lián)、長期使用的光催化面板反應器。 該反應器的上表面由透明玻璃制成,并包含一塊 25 厘米見方的鈦酸鍶光觸媒片。光觸媒片與玻璃窗之間有0.1mm的微小間隙,向其供給水進行反應。 這里使用的鈦酸鍶光觸媒只能用太陽光的紫外光分解水,但它具有能以幾乎100%的量子產率分解水的優(yōu)良特性。
光觸媒板反應器在用紫外光照射時,產生的氫氧氣泡繼續(xù)在反應器上方平穩(wěn)移動,光觸媒板表面保持濕潤,含水量高,效率可以保持。 研究還發(fā)現(xiàn)氣泡快速移動并聚結,因此氣泡幾乎沒有光散射的影響。 通過在實驗室環(huán)境中用偽太陽光連續(xù)照射該光催化劑片來測量水分解活性的長期耐久性,結果為可能保持 80% 以上的初始活性超過 2 個月。
(2) 100m2規(guī)模光催化板式反應器示范
通過將新開發(fā)的光觸媒面板反應器連接起來組裝一個3m2的模塊,再用塑料管連接,組裝出了世界上最大的100m2規(guī)模的光觸媒面板反應器。每個模塊都有一個內置機制,可以自動控制供水量。
經證實,光觸媒板反應器在室外環(huán)境中連續(xù)產生氫氧混合氣體約一年??梢杂^察到光觸媒板反應器產生的混合氣體是如何被強力吹出的,并在夏季陽光條件好的情況下實現(xiàn)了0.76%的最大太陽能轉換效率。
由于這次使用的光觸媒只吸收紫外光,太陽能轉換效率低至不到1%,但在未來幾年內將開發(fā)出一種既能吸收可見光又能吸收紫外光的光觸媒。目標是轉換效率達到 5-10%。
(3)氣體分離模塊從混合氣體中分離太陽能氫氣
將水分解反應產生的氫氧混合氣體導入光觸媒板反應系統(tǒng)的氣體分離模塊,僅分離回收氫氣。光觸媒板反應器供給氣體分離模塊的氣體成分為氫氣和氧氣,比例為2:1,分離1天后,平均滲透氣體氫氣濃度約為94%,氧氣濃度為60%以上被分離成的殘留氣體。多次進行類似實驗后,證實無論天氣和季節(jié)如何,都能以約73%的回收率分離氫氣。
在本次示范試驗中,使用市售的聚酰亞胺中空纖維分離膜代替本項目主題下正在開發(fā)的分離膜,氫氣濃縮在滲透氣體中,氧氣則濃縮在殘留的氣體中。氣體分離模塊配備有臨時儲存混合氣體的罐,并配備了通過將供給至分離膜的氣體量保持恒定來穩(wěn)定分離性能的機構。
NEDO 和 ARP Chem 計劃開發(fā)具有更高氫氣分離性能的膜,以實現(xiàn)低成本制氫。
原標題:世界首次人工光合作用太陽能制氫示范試驗成功