南开大学罗景山:光电催化合成燃料和化学品助力碳中和,实现绿色发展

科学
南开大学罗景山:光电催化合成燃料和化学品助力碳中和,实现绿色发展
麻省理工科技评论 2021-01-07

2021-01-07

南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师罗景山发表了以《光电催化合成燃料和化学品助力碳中和》为主题的演讲。
35岁以下科技创新35人
南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师罗景山发表了以《光电催化合成燃料和化学品助力碳中和》为主题的演讲。

2020 年 12 月 10 日 - 11 日,由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。

会上,南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师罗景山发表了以《光电催化合成燃料和化学品助力碳中和》为主题的演讲,以下为经过整理后的演讲实录:

罗景山:光电催化合成燃料和化学品助力碳中和,实现绿色发展

图|罗景山教授

2015 年,在巴黎召开的第二十一届联合国气候变化大会通过了《巴黎协定》,为控制全球气温而努力。

2020 年 9 月份,国家主席习近平在联合国大会上发表重要讲话,提出争取在 2060 年前实现碳中和。罗景山在演讲中说:“碳中和能源技术是世界科技研究的前沿,对标的是经济主战场,同时也是我们国家的重大需求。”

绿水青山就是金山银山。碳中和对于改善环境,实现绿色发展至关重要。“碳中和,顾名思义就是二氧化碳的排放总量和减少的二氧化碳总量相当。” 罗景山解释道,“实现碳中和的方式有很多,最直接的是从利用化石能源过渡到使用清洁可再生能源。”

据国际能源署统计,2016 年煤炭在我国发电能源中占比接近 60%。“如果要在 2060 年实现碳中合,我们必须削减煤炭的用量,预计在 2040 年实现把煤炭的用量减少到 30%。但到 2040 年,我们消耗的能量会更多,这时候我们需要开发更多的清洁可再生能源来补足这部分能量的需求。” 罗景山说。

“太阳照射地球一个小时,产生的能量足够我们全人类用一整年。” 罗景山的研究主要与太阳能转换相关。在过去几年,他的团队重点开发高效光电材料和器件。他介绍说:“我们现在用的光伏电池本身没有存储功能,如果想大规模利用光伏,需要解决存储问题。存储太阳能的手段有很多,绿色植物可以吸收太阳光,把水和二氧化碳转变成葡萄糖,以燃料的形式存储起来。我们可以模拟这一过程,进行人工光合作用,利用太阳能把水和二氧化碳转变成我们所需要的清洁燃料和化学品。”

太阳能转换主要分为光解水制氢和二氧化碳还原两种,罗景山的研究聚焦于这两个方面。他在演讲中介绍了他的工作:“首先我们做出高效、低成本的光电极材料,其次开发高效低成本的电催化剂材料,最后把两者高效耦合,构筑成高效的器件。”

在光解水制氢方面,他的团队开发了两种半导体材料,一种是光阳极,另外一种是光阴极。当用导线把这两种材料连接一起置于水中,在光的照射下,水就可以自动的分解成氢气和氧气;此外,他的团队用光伏电池和电催化剂耦合的方式实现了高效太阳能光解水制氢。“目前这个效率可以做到接近 20%,但是由于成本以及稳定性等原因还需要进一步开发才能进行商业化应用。”

尽管如此,团队开发的光解水制氢材料和器件仍有极其广阔的应用前景。目前,国家在大力推行氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车具有独特优势,首先它可以在三分钟之内实现氢气的加注,而锂电池汽车需要充电 30 分钟甚至更长的时间。“对于工业运输用的卡车来说,氢燃料电池汽车更具优势。” 罗景山补充道,“氢的能量密度远高于锂离子电池,一公斤的氢气可以驱动汽车行驶大概 120 公里左右。”

太阳能转换另一个重要方向是二氧化碳还原。他介绍说:“除了进行光解水制氢之外,我们也可以利用太阳能把二氧化碳还原,去合成我们所需要的燃料和化学品,比如说甲烷、甲醇、乙烯、乙醇等。” 罗景山团队开发了一种由氧化锡、氧化铜组成的廉价催化剂,可以将二氧化碳高效、高选择性还原合成一氧化碳,选择性高达 90%。他们还研发了一个太阳能驱动的二氧化碳还原全器件,可以直接使用太阳能实现二氧化碳到一氧化碳的高效转化。“除了还原二氧化碳生成一氧化碳以外,我们还可以生成乙醇、乙烯等化学品。我们用铜银复合催化剂,可以把二氧化碳高效还原合成乙烯,选择性高达 60%。” 他补充说。

尽管团队实现了较高的选择性,但离实际应用仍有一定距离。“我们在进一步研究,希望将来可以接近 90%,甚至 100% 的选择性,并进一步提升能量转换效率,利用二氧化碳合成我们所需要的燃料和化学品。” 罗景山说。

罗景山对团队的研究前景充满信心。在演讲的最后,他展望道:“将来如果太阳燃料研究成功,我们可以利用太阳能,把水、二氧化碳转变成我们需要的燃料和化学品,去替代现在所用的化石燃料。”

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