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Nature:100平方米規(guī)模的光催化太陽能制氫

Nature:100平方米規(guī)模的光催化太陽能制氫

人類活動對地球氣候的空前影響,以及全球能源需求的持續(xù)增長,使得開發(fā)碳中和能源變得更加重要。氫氣,是一種有吸引力的和通用的能量載體,可從水中通過利用太陽光的光催化,通過太陽能或風能驅(qū)動的電解獲得。最有效的太陽能制氫方案,是將太陽能電池與電解系統(tǒng)結(jié)合起來,在實驗室規(guī)模下,太陽能制氫(STH)的能量轉(zhuǎn)換效率達到30%。光催化水分解的轉(zhuǎn)化率明顯較低,只有1%左右,但該系統(tǒng)設計更簡單、更便宜,且更易于擴大規(guī)模,前提是潮濕的、化學計量的氫和氧產(chǎn)品混合物,可以在現(xiàn)場環(huán)境中安全地處理,并回收氫氣。
在此,來自日本東京大學&信州大學的Kazunari Domen等研究者,擴展了他們先前基于改進的、摻鋁鈦酸鍶顆粒光催化劑1平方米面板反應器系統(tǒng)的演示,報告了一個使用商業(yè)聚酰亞胺膜、面積達100平方米的面板反應器陣列,安全運行的幾個月時間內(nèi),其可從潮濕的氣體產(chǎn)品混合物中自動回收氫氣。相關論文以題為“Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100 m2-scale”于2021年08月25日發(fā)表在Nature上。
Nature:100平方米規(guī)模的光催化太陽能制氫
太陽能,作為一種可持續(xù)能源,其重要性預計將日益增加,利用現(xiàn)有的強烈太陽輻射,通過當?shù)匕l(fā)電和經(jīng)營規(guī)模為幾平方公里的商業(yè)太陽能發(fā)電廠,這些發(fā)電廠目前通常位于低緯度。除能源生產(chǎn)外,將太陽能轉(zhuǎn)化為化學品也越來越引起人們的興趣,因為太陽能往往在遠離能源需求高的地點采集,而且太陽輻射強度隨時間波動。光電輔助電化學、光電化學和光催化水分解系統(tǒng),可以從水中產(chǎn)生太陽能氫。目前,這些技術(shù)中最有前景的是光伏-輔助電解槽,其效率高達30%,并與燃料電池相結(jié)合,使終端用戶能夠生產(chǎn)太陽能和太陽能燃料,以滿足其區(qū)域范圍內(nèi)全年的能源需求。雖然微粒光催化劑系統(tǒng)的STH值要低得多,最多只有1%左右,但如果產(chǎn)品氣體能夠安全有效地處理,光催化劑性能的改善可能會使此類系統(tǒng)可行,并允許其簡單性和可擴展性得到利用。
在此,研究者探索了太陽能制氫的規(guī)?;蜌怏w處理,通過使用光催化劑片的面板反應器進行光催化水裂解。如圖1等所示,在東京大學Kakioka研究設施內(nèi),通過排列1600個反應器單元,建立了一個100平方米規(guī)模的原型光催化太陽能制氫系統(tǒng)。每個單元都有625 cm2的接收光面積,紫外透明玻璃窗口與光催化劑片之間的間隙調(diào)整到0.1 mm(見圖1a, b等),以最大限度地減少水負荷,防止產(chǎn)品氫氧氣體積聚和著火。在該系統(tǒng)中,氣體產(chǎn)品的輸送和反應物水的輸送分別采用內(nèi)徑為8.6 mm和4.0 mm的聚氨酯管。圖1c提供了100 m2的水分解光催化劑面板反應器陣列的俯視圖,該陣列由33和1/3模塊組成,各為3平方米。
在構(gòu)建大型面板堆陣之前,研究者在模擬標準陽光(AM 1.5G, 1kw m-2)持續(xù)照射下,使用小型面板堆進行了室內(nèi)加速試驗。經(jīng)過幾天的激活期后,在透明的平板玻璃上制作的小型光催化劑片(5 cm×5 cm)可以將蒸餾水分解成氫和氧,其STH效率為0.48%。隨著時間的延長,STH效率逐漸降低,280h后降至0.40%以下。在磨砂玻璃上制備的光催化劑片更具有活性和耐用性,活化后的STH效率為0.51%,在1600 h以上仍保持在0.40%以上(這段時間相當于7個月,每天7.6 kWh m-2的室外日曬,或在Kakioka研究設施的氣候條件下幾乎一年)。系統(tǒng)表現(xiàn)出的激活期,可能是由于浸漬的鉻組分以Cr(III)物種的形式遷移到SrTiO3:Al表面的Rh位點??紤]到即使經(jīng)過大約6個月的現(xiàn)場測試,光催化劑層的微觀結(jié)構(gòu)仍然完好無損,失活可能是由于這種輔助催化劑在長期運行期間的變質(zhì)。
研究發(fā)現(xiàn),研究者的系統(tǒng)在安全性和耐久性方面進行了優(yōu)化,并在回收的氫氣被故意點燃時保持無損,STH最高可達0.76%。雖然制氫效率低下,而且總體能耗低,但該研究結(jié)果表明:安全、大規(guī)模的光催化水裂解和氣體收集和分離是可能的。為了使該技術(shù)在經(jīng)濟上可行和實際應用,接下來的關鍵步驟是反應器和工藝優(yōu)化,以大幅降低成本,提高STH的效率、光催化劑的穩(wěn)定性和氣體分離效率。

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圖1 100平方米的水分解光催化劑面板反應器

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圖2 光催化劑片的電子顯微鏡圖像

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圖3 2020年10月2日,Kakioka研究設施連接到100平方米水分解光催化劑面板反應器的氣體分離裝置的性能
當前,面板反應堆建造的重點是足夠的穩(wěn)健性,以確保長期戶外運行,而沒有考慮生產(chǎn)和運行成本,但任何實際相關的太陽能燃料生產(chǎn)系統(tǒng),必須在成本上具有與現(xiàn)有的燃料生產(chǎn)競爭力的技術(shù)。因此,需要開發(fā)更簡單的反應堆,這些反應堆由輕質(zhì)、廉價的材料制成,但仍能確保安全性和耐用性。
目前的系統(tǒng),無法在獲得凈能量的情況下生產(chǎn)氫,這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了需要降低水和氣體處理的電力需求。目前的氫回收系統(tǒng),是基于一種商業(yè)上可用的膜,產(chǎn)生的氫仍然在爆炸范圍內(nèi)(4% < H2 < 95%),并在原料氣中留下超過20%的氫。除了優(yōu)化氣體處理和操作條件,使用專門設計的泵,開發(fā)具有更好的氫滲透性和更低的氧滲透性的膜,顯然也是必不可少的。
文獻信息
Ma, W., Hu, G., Hu, D. et al. Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals. Nature 596, 362–366 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03755-1

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1

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