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日本國(guó)家研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）在二氧化碳原料制造工藝技術(shù)開發(fā)（人工光合作用項(xiàng)目）中，利用太陽(yáng)能和光催化劑，致力于開發(fā)太陽(yáng)能氫氣和二氧化碳為原料的基礎(chǔ)化學(xué)品（C2-C4 烯烴）生產(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)技術(shù)。該項(xiàng)目包括三個(gè)研發(fā)主題，是有助于減少二氧化碳排放的創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展之一。

NEDO 和人工光合化學(xué)工藝技術(shù)研究協(xié)會(huì) (ARPChem)目前正在東京大學(xué)、富士膠片株式會(huì)社、TOTO 株式會(huì)社、三菱化學(xué)株式會(huì)社等機(jī)構(gòu)致力于人工光合系統(tǒng)的社會(huì)實(shí)施。

具體來(lái)說(shuō)，該技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種光觸媒面板反應(yīng)器，該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生的混合氣泡可以順暢地移動(dòng)，即使著火也不會(huì)爆炸，通過(guò)連接它們，可以創(chuàng)建 100 平方米的光觸媒面板反應(yīng)器。它即使在室外環(huán)境中，混合氣體也會(huì)持續(xù)產(chǎn)生一年左右。此外，光催化板反應(yīng)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(yáng)能氫氣。經(jīng)過(guò)證明，無(wú)論日照條件如何，都可以適當(dāng)?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(yùn)行數(shù)月。此外，通過(guò)合理設(shè)計(jì)光催化反應(yīng)體系，在室外試驗(yàn)過(guò)程中沒有發(fā)生自燃或爆炸。

這項(xiàng)研究的結(jié)果于英國(guó)時(shí)間2021年8月25日星期三發(fā)表在了英國(guó)科學(xué)期刊《自然》的新聞版上。


（1）利用陽(yáng)光和光觸媒將水分解成氫氣和氧氣

“光觸媒”在將水分解成氫氣和氧氣的過(guò)程中起著重要的作用。當(dāng)一片浸在水中的催化劑暴露在光線下時(shí)，它會(huì)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(yáng)能，因此在生產(chǎn)階段不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。在人工光合作用中，“能量轉(zhuǎn)換效率”，即太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣的效率非常重要。安裝光伏發(fā)電面板等光觸媒時(shí)，預(yù)計(jì)可大幅降低成本，與已實(shí)現(xiàn)7%轉(zhuǎn)換效率的串聯(lián)型一起，進(jìn)一步推進(jìn)技術(shù)開發(fā)。在實(shí)施人工光合作用方面，該項(xiàng)目的光催化劑作為世界領(lǐng)先技術(shù)備受矚目。

（2）使用分離膜從產(chǎn)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(huì)實(shí)施中安全高效地分離氫氣和氧氣非常重要。在項(xiàng)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(shù)，使氫氣和二氧化碳反應(yīng)生成烯烴。

“合成催化劑”對(duì)于通過(guò)分離出的氫氣與二氧化碳反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)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(yáng)能從水中提取氫氣。 通過(guò)利用發(fā)電廠和工廠排放的氫氣和二氧化碳生產(chǎn)烯烴，過(guò)去排放二氧化碳的化學(xué)制造過(guò)程將轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸嘉者^(guò)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(shù)有望實(shí)現(xiàn)保持碳排放和吸收平衡的“新碳社會(huì)”，將為不依賴化石資源的原材料多樣化和全球變暖對(duì)策做出巨大貢獻(xiàn)。


（1） 光催化板式反應(yīng)器的開發(fā)

NEDO 與 ARP Chem 全新設(shè)計(jì)開發(fā)了可量產(chǎn)、互聯(lián)、長(zhǎng)期使用的光催化面板反應(yīng)器。 該反應(yīng)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(jìn)行反應(yīng)。 這里使用的鈦酸鍶光觸媒只能用太陽(yáng)光的紫外光分解水，但它具有能以幾乎100%的量子產(chǎn)率分解水的優(yōu)良特性。

光觸媒板反應(yīng)器在用紫外光照射時(shí)，產(chǎn)生的氫氧氣泡繼續(xù)在反應(yīng)器上方平穩(wěn)移動(dòng)，光觸媒板表面保持濕潤(rùn)，含水量高，效率可以保持。 研究還發(fā)現(xiàn)氣泡快速移動(dòng)并聚結(jié)，因此氣泡幾乎沒有光散射的影響。 通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中用偽太陽(yáng)光連續(xù)照射該光催化劑片來(lái)測(cè)量水分解活性的長(zhǎng)期耐久性，結(jié)果為可能保持 80% 以上的初始活性超過(guò) 2 個(gè)月。

（2） 100m2規(guī)模光催化板式反應(yīng)器示范

通過(guò)將新開發(fā)的光觸媒面板反應(yīng)器連接起來(lái)組裝一個(gè)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(yīng)器。每個(gè)模塊都有一個(gè)內(nèi)置機(jī)制，可以自動(dòng)控制供水量。

經(jīng)證實(shí)，光觸媒板反應(yīng)器在室外環(huán)境中連續(xù)產(chǎn)生氫氧混合氣體約一年。可以觀察到光觸媒板反應(yīng)器產(chǎn)生的混合氣體是如何被強(qiáng)力吹出的，并在夏季陽(yáng)光條件好的情況下實(shí)現(xiàn)了0.76%的最大太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。

由于這次使用的光觸媒只吸收紫外光，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率低至不到1%，但在未來(lái)幾年內(nèi)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(biāo)是轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 5-10%。


（3）氣體分離模塊從混合氣體中分離太陽(yáng)能氫氣

將水分解反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧混合氣體導(dǎo)入光觸媒板反應(yīng)系統(tǒng)的氣體分離模塊，僅分離回收氫氣。光觸媒板反應(yīng)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(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)后，證實(shí)無(wú)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(yàn)中，使用市售的聚酰亞胺中空纖維分離膜代替本項(xiàng)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(shí)儲(chǔ)存混合氣體的罐，并配備了通過(guò)將供給至分離膜的氣體量保持恒定來(lái)穩(wěn)定分離性能的機(jī)構(gòu)。

NEDO 和 ARP Chem 計(jì)劃開發(fā)具有更高氫氣分離性能的膜，以實(shí)現(xiàn)低成本制氫。

原標(biāo)題：世界首次人工光合作用太陽(yáng)能制氫示范試驗(yàn)成功