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无线光催化片生产清洁能源

时间:2020-10-11     作者:文/Nick Lavars 编译/ 李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2020年第10期

种能够有效地模拟光合作用的设备,对于能源研究者来说是一项巨大的突破。在过去六七年中,一支来自英国剑桥大学的研究团队在这一领域一直处于世界最前沿位置。他们最新的研究方向,是将无线光片与光催化剂包裹在一起,能将阳光、水和二氧化碳转化为清洁能源,团队希望未来这个设备能够应用于大型能源农场。这项研究是在剑桥大学化学学院的Erwin Reisner教授指导下完成。

去年,研究团队研发出了一种人工叶片,它近似于天然树叶,能够将阳光和水转化为合成气——一氧化碳和氢。合成气可用于生产各种商品,例如燃料、药品、塑料和肥料。我们可能没有听说过合成气本身,但是每天我们都会消费使用合成气制造的产品。而能够可持续地生产合成气对于关闭全球碳循环,以及建立可持续的化学和燃料工业而言是至关重要的一步。

此前,这种人工叶片通过一种太阳能电池中的成分——钙钛矿光吸收体来吸收阳光。而现在剑桥团队对这种方法做了一些调整。不同于使用钙钛矿吸收体,新方法是将一种奇特的光催化剂嵌入到由半导体粉末构成的材料薄片上。在这种半导体粉末中,经氧化钌(RuO2)修饰的钼掺杂的BiVO4部分对水有着较强的氧化能力;另一部分经镧、铑掺杂的SrTiO3则扮演着“吸光剂”的角色。人工光合作用最为关键的一步是将水分子裂解(氧化)为氧气、氢离子、电子。

20平方厘米厚的材料薄片,发展成为一个测试单元用于将阳光、二氧化碳和水转化为氧和甲酸,这些元素很容易直接作为燃料应用,或是用于作为氢的基础元素。甲酸是一种可储存的燃料,可以直接使用,也可以转化为氢气,而且甲酸也可以在溶液中积累,并通过化学作用转化为不同类型的燃料。此项新技术所提供的光能-甲酸的转化效率为0.080.01%,产物甲酸的选择性则高达973%。装置采用无线方式工作,并以水作为电子供体,因此对二氧化碳的使用提供了一种多样化的新策略。

人工光合作用之所以令人振奋,是因为它有可能制造出能够储存并在需要时使用的“可调遣”可再生的能源。与此形成反差的是,风力发电机和太阳能电池板只能断断续续地产生能量。

据研究人员介绍,这是一种将二氧化碳转化为清洁能源的全新方法,也是一种很容易就能将规模扩大的方法。科学家表示,这种方法可以非常直接地生产扩大数米的设备,想象一下各种尺寸的设备就能组成一个生产清洁能源的大型设施,就像太阳能农场。

研究人员表示:“我们的工作主要是利用温室气体二氧化碳,将太阳能转化为可储存的化学清洁能源。”与传统的电极或者悬浮液体系不同的是,在这项研究中,太阳能是唯一的输入能源,不需要电能或者牺牲剂的帮助,因此成本比较低。

Reisner教授解释说:“要实现具有高度选择性的人工光合作用是很困难的,因为你要尽可能多地把太阳光转化为燃料,而不是留下大量的废弃物。”气态燃料的存储和副产物的分离非常复杂,研究人员希望既可以实现液态燃料的清洁生产,也可以将其轻松地存储和运输。

“让我们非常惊喜的是,这项技术在选择性方面表现得非常出色,因为它几乎不会产生任何的副产品。”论文的第一作者Qian Wang博士表示。接下来,研究团队开始通过尝试各种不同的催化剂提升设备的效能,这样有可能会产生不同类型的太阳能燃料。Reisner教授说:“我们希望这项技术能够为可持续性和实际的太阳能燃料生产铺平道路。”

此外,研究人员发现即使在下雨天或阴天,或是在低日照下,设备也能正常工作。这意味着不仅限于在温暖的国家或是在夏季使用此项技术,在世界任何地方从黎明到黄昏都可以使用它。Qian Wang博士认为:“虽然这种技术相比人造叶更加容易扩大规模,但是在商业化之前,我们还需要验证各种不同的催化剂,以提高其稳定性和效率。”

近年来,虽然人工光合成研究取得了突破性发展,但与化石燃料相比,其所生产的再生能源的成本依然不具优势,如果要实现利用太阳能制备清洁能源的低成本生产,目前所有实验室研究体系的效率都需要再提升。在此次研究中,目前光催化片将太阳转化为化学能的效率为0.1%左右。据Qian Wang博士介绍,此次研究的目标是将太阳能到化学能的转化效率提高到5%-10%,目前他们正通过优化材料和体系向这个方向努力。

除此之外,剑桥研究团队正在研究使用其技术来生产可持续的液体燃料替代汽油的方法。合成气已被用作液体燃料生产的基础。

Reisner教授表示:“我们要做的是先将二氧化碳和水进一步合成液态燃料,而不是先制造合成气再将其转化为液态燃料。”他认为,尽管利用风能和光伏等可再生能源发电已取得了巨大进步,但合成汽油的发展至关重要,因为目前电力仅能满足我们全球总能源需求的25%。对液体燃料的主要需求是可持续地为重型运输和航空提供动力。研究团队的目标是可持续生产乙醇等可轻松用作燃料的产品。

据团队研究人员介绍,之所以能够持续生产合成气,是因为他们使用了多种材料和催化剂。这些包括最先进的钙钛矿光吸收剂,与由硅或染料敏化材料制成的光吸收剂相比,该钙钛矿光吸收剂可提供高的光电压和电流来驱动化学反应,从而将二氧化碳还原为一氧化碳。研究人员还使用钴代替铂或银作为分子催化剂。钴不仅成本较低,而且在生产一氧化碳方面比其他催化剂更好。

编译自《自然·能源》

(责任编辑 姜懿翀)


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