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氢能源时代即将来临!中国太阳能光分解和美国光伏制氢技术均有重大突破

来源:科技日报,能源网等;氢云链整理 更新:2020-03-25 21:10:50 作者: 浏览:1716次

氢作为传统化石燃料的一种可行的绿色替代品,甚至作为商业融合的潜在解决方案得到了广泛关注,通常被称为清洁能源的圣杯。

然而,尽管它引起了很多轰动,但并不是所有种类的氢都是真正的绿色选择。事实上,很多氢是由化石燃料产生,主要是天然气和煤,这意味着它的使用实际上没有减少排放,这种被称为“灰色氢”的氢已经被用于工业和工业过程,如氨的生产、炼油厂和作为化工原料。

这就是为什么绿色氢如此重要的原因,不仅是氢部分,而且在制造过程,无论是在供应链的生产端还是消费端,都是零温室气体排放。

唯一的问题是,我们还没有找到一种经济上可行的方法来生产绿色氢,而不需要使用大量资金或数吨能源投入,但目前我们已快接近这个门槛。

近日,中美两国研究人员在“绿氢”的生产技术方面均取得重大突破,其中美国科学家实现光伏制氢技术,可以将制氢效率提升24倍;而中科院大连化学物理所的太阳能光催化全分解水制氢效率创国际最高记录。

中国“氢农场”

氢云链从中科院大连化学物理所获悉,该所催化基础国家重点实验室李灿院士、李仁贵研究员等在太阳能可规模化分解水制氢方面取得新进展,率先提出并验证了一种全新的“氢农场”策略。该策略基于粉末纳米颗粒光催化剂太阳能分解水制氢,太阳能光催化全分解水制氢效率创国际最高记录。该研究成果日前发表在《德国应用化学》上。

受自然光合作用原理启发,研究团队借鉴大规模种植庄稼的做法,率先提出并验证了基于粉末纳米颗粒光催化剂的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”策略,这是一种不同于国际上报道的全新策略。而该策略的实现需要解决两大关键问题,一是如何实现高效光催化水氧化储存太阳能过程,二是如何抑制纳米颗粒光催化剂表面生成的氧化态和还原态储能介质之间的反应(即逆反应)。

中科院大化所李仁贵研究员介绍,“氢农场”策略是借鉴自然光合作用中光系统II和光系统I在空间上分离以及光反应和暗反应在空间上分离的原理,将分解水反应中的水氧化反应与质子还原反应在空间上分离,避免了氢气和氧气的逆反应,规避了产物氢气和氧气分离等问题,水氧化反应器开放,原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。

此外,研究团队基于晶面间光生电荷分离原理,通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例,使光催化水氧化反应性能得到优化,在Fe3+/Fe2+离子对作为储能介质的条件下,可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上,“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%,这也是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。同时,利用催化剂不同暴露晶面之间的电荷分离特性以及户外太阳光照射条件下的试验,验证了“氢农场”策略的可行性,为基础研究成果转化为应用示范提供了科学基础。

 

美国“光伏制氢”

据外媒报道,科学家们首次研发了一种能够有效吸收阳光的单分子,而且该分子还可以作为一种催化剂,将太阳能转化为氢气,而氢气可作为清洁的燃料替代品,用于燃油汽车。该种新分子可以从整个可见光光谱中收集能量,与目前的太阳能电池相比,可以多利用50%的太阳能。这一发现可以帮助人们摆脱对化石燃料的依赖,转向使用不会对气候造成影响的能源。

该研究团队由美国俄亥俄州立大学(The Ohio State University)化学与生物物理动力学中心主任兼化学教授Claudia Turro领导。Turro表示:"我们的想法是利用太阳光子,将其转化为氢气。简而言之,我们利用来自阳光的能源,并将其存储在化学键中,以便日后使用。"光子是阳光的基本粒子,包含能量。

研究人员首次证明,可以从太阳光的整个可见光光谱(包括低能量红外光谱,也是太阳光光谱的一部分,以前很难收集该光谱的能量)中收集能量,并迅速且有效地将其转化成氢气。氢气是一种清洁燃料,在使用过程中不会产生碳或二氧化碳。

Turro表示:"该理念得以实现是因为该系统能够让该分子处于激发状态,吸收光子,并存储两个电子,以制造氢气。在一个由两个光子产生的分子中存储两个电子,并合成制氢,这一做法前所未有。"

将太阳能转化为汽车燃料首先需要利用一种机制收集能量,再将此类能量转化为燃料,而转化需要一种称为"催化剂"(能够加速化学反应)的东西,让太阳能转化为氢气等可使用的能源。

以前的研究大多数是尝试收集紫外线等较高能量波长的阳光,再将此类太阳能转化为氢气。Turro表示,少数依靠单分子去收集能量的研究也非常低效,部分原因在于无法从整个可见光光谱中收集能量,而无法做到这一点的原因在于催化剂本身降解得很快。

Turro的研究小组发现了如何用一个分子(元素铑的一种形式)制造催化剂,从而可以损失更少的能量。研究小组找到了方法,可以收集从红外线到紫外线整个可见光光谱的能量。该研究小组设计的系统与之前和紫外线光子工作的单分子系统相比,效率提高了24倍以上。

在该项研究中,研究人员用LED灯照射含有活性分子的酸性溶液,发现制出了氢气。Turro表示:"该方法可行的原因是该分子很难被氧化。"

Turro表示,在该研究小组将成果应用于现实世界之前,还有很多工作要完成。铑是一种稀有金属,以铑为原料制造催化剂的成本较高。目前,该研究小组正致力于改进该分子,使其能够在更长的时间段内制造氢气,并致力于利用更便宜的材料制造催化剂。

 
氢云链认为,将绿色氢推向市场的最大障碍是资本成本的降低。不过,要想让价格点正确,必须达到规模经济。那么,这只是一个行业何时准备采取下一步行动的问题。目前,全球如壳牌等主要企业的参与已经让我们接近了这个门槛。

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