中国科学家“模仿植物”成功制备清洁燃料!或可大规模生产

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中国科学家“模仿植物”成功制备清洁燃料!或可大规模生产
麻省理工科技评论 2020-08-30

2020-08-30

“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。”
技术 能源
“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。”

你知道地球上最大规模的能量和物质转换过程是什么吗?

如果一时想不起来,那换个问题,利用阳光和空气中的二氧化碳,合成有机化合物并释放出氧气的过程是什么?是的,这就是植物的光合作用,它是地球上生命体赖以生存的基础。

如今,英国剑桥大学化学系博士后王谦及其所在团队的新研究,向着实现人工光合作用迈进了一步。他们开发出一种独立的设备,无需任何其他添加物或电力,就可以将太阳光、二氧化碳和水转化为碳中性燃料——一种没有温室气体净排放量或碳足迹的能源燃料或能源系统。

“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。” 王谦告诉 DeepTech。

这项新技术可用于生产易于储存的液体清洁燃料,代表了一种将二氧化碳转化为清洁燃料的新方法,并显示出大规模生产燃料的潜力;尽管测试单位的大小为 20 平方厘米,但该无线设备的体积可以被设计得更大,用作类似于太阳能农场的能源 “农场”,利用太阳光和水来生产清洁燃料。相关研究成果于 8 月 24 日,以论文的形式发表在《自然 - 能源》(Nature Energy)杂志上。

(来源:Nature Energy)

王谦是论文的第一作者,她告诉 DeepTech,英国剑桥大学化学系教授欧文 · 莱斯纳(Erwin Reisner)是该项目的主要负责人,项目的想法是王谦和莱斯纳共同提出的,王谦负责器件的制备、分析和活性表征,同组的朱利安 · 沃南(Julien Warnan)和蒂亚戈 · 罗德里格斯 - 希门尼斯(Santiago Rodriguez-Jimenez)博士则负责分子催化剂的合成和分析,东京大学堂免一成(Kazunari Domen)教授也参与了这一研究的讨论,并提供了很多宝贵的想法和意见。

“模仿植物” 转化太阳能

燃料,是一种通过化学反应或核反应释放本身内能以供他人使用的物质,比如我们熟知的石油、煤炭,以及经由石油炼化产生的汽油、柴油和煤油等,它们都与人类的工作和生活息息相关。

但是,化石燃料在释放内能、转化为热能的同时,也会造成水资源污染、温室效应等诸多环境问题,而且作为不可再生资源,化石燃料面临着资源短缺、过度开采等问题。根据目前已探明储量和开采流量预测,化石燃料的可开采年限预计在 150 年内。

当前,世界的科学家们正致力于开发可再生的清洁能源,如何寻找一种环保、高效、可持续发展的燃料制备技术,一直是近年来的研究热点。太阳能因为分布广以及取之不尽等优点,其应用受到科学家们的广泛关注。

图 | 王谦,英国剑桥大学化学系博士后

除了利用太阳能发电,科学家也希望利用太阳能将二氧化碳转化为燃料,这可以有效减少碳排放,并向低碳能源过渡。然而,同时生产清洁燃料而又不产生副产物是极具挑战性的。

王谦出生于江西,硕士毕业于天津大学,之后去日本东京大学攻读博士学位,在东京大学作为人工光合成项目的研究员工作四年,于 2018 年以玛丽 · 居里学者的身份进入剑桥大学学习和工作,研究方向集中在人工光合成,将太阳能转化为清洁可再生新能源。

“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。” 王谦说。

莱斯纳也表示,气态燃料的存储和副产物的分离可能也会很复杂,他们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。

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,而且与传统体系相比,他们在这项研究中研发的设备已被证实具有更大的大面积化生产和使用的潜能。

图 | 简易设备

在这一研究中,被称为光催化板(photosheet)的设备模仿植物将太阳光转化为能量的能力,是朝着实现人工光合作用迈出的重要一步。它基于先进的光催化板,可将太阳光、二氧化碳和水转化为氧气和甲酸,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。

一旦效率提升,或可大规模商业化

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,目前光催化板将太阳转化为化学能的效率为 0.1% 左右。

当前,王谦及其团队的工作重点正是优化该体系,以取得更高的效率。“我们的目标是将太阳能到化学能的转化效率提高到 5%-10%,目前正通过优化材料和体系向这个方向努力。” 在未来的工作中,王谦表示,他们将致力于利用该体系将太阳能和二氧化碳转化为其他燃料,比如甲醇。

早在 2019 年,莱斯纳团队的研究人员就开发了一种基于 “人造叶” 设计的太阳能反应器,该反应器也可以利用太阳光、二氧化碳和水生产合成气(一氧化碳和氢的混合物,尤指由低级煤生产的可燃性气体,主要用于化学和生物加工以及甲醇的生产)。

当时 “人造叶” 使用了太阳能电池中的成分,这种新设备则完全不需要,只需依靠嵌入到薄片中的光催化剂来生产所谓的光催化剂薄片,这种薄片由半导体粉末组成,制备方便且十分经济。

对此,王谦表示,“几乎没有副产物,我们对它在选择性方面的出色表现感到惊讶。有时候情况不如预期那样好,但这是一种罕见的情况,实际上效果更好。”

虽然这种技术会比 “人造叶” 更容易扩大规模,但在考虑任何商业化之前,仍需提高其效率。目前他们正在试验各种不同的催化剂,以提高稳定性和效率。

王谦表示,相对来说,这项研究成果是目前太阳能 - 化学能转化体系中更容易大面积推广的技术。如果体系的效率和稳定性能进一步提高,将具有巨大的商业化前景。

尽管当前这一技术还处于发展阶段,但为发展新型可再生能源和降低大气中的二氧化碳浓度等环境问题提供了新的手段和方向。

“我希望留在学术界继续做研究,目前正在与国内高校接触。” 王谦说。

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