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氫能源時代即將來臨!中國太陽能光分解和美國光伏制氫技術均有重大突破

來源:科技日報,能源網等;氫云鏈整理 更新:2020-03-25 21:10:50 作者: 瀏覽:163次

氫作為傳統化石燃料的一種可行的綠色替代品,甚至作為商業融合的潛在解決方案得到了廣泛關注,通常被稱為清潔能源的圣杯。

然而,盡管它引起了很多轟動,但并不是所有種類的氫都是真正的綠色選擇。事實上,很多氫是由化石燃料產生,主要是天然氣和煤,這意味著它的使用實際上沒有減少排放,這種被稱為“灰色氫”的氫已經被用于工業和工業過程,如氨的生產、煉油廠和作為化工原料。

這就是為什么綠色氫如此重要的原因,不僅是氫部分,而且在制造過程,無論是在供應鏈的生產端還是消費端,都是零溫室氣體排放。

唯一的問題是,我們還沒有找到一種經濟上可行的方法來生產綠色氫,而不需要使用大量資金或數噸能源投入,但目前我們已快接近這個門檻。

近日,中美兩國研究人員在“綠氫”的生產技術方面均取得重大突破,其中美國科學家實現光伏制氫技術,可以將制氫效率提升24倍;而中科院大連化學物理所的太陽能光催化全分解水制氫效率創國際最高記錄。

中國“氫農場”

氫云鏈從中科院大連化學物理所獲悉,該所催化基礎國家重點實驗室李燦院士、李仁貴研究員等在太陽能可規模化分解水制氫方面取得新進展,率先提出并驗證了一種全新的“氫農場”策略。該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫,太陽能光催化全分解水制氫效率創國際最高記錄。該研究成果日前發表在《德國應用化學》上。

受自然光合作用原理啟發,研究團隊借鑒大規模種植莊稼的做法,率先提出并驗證了基于粉末納米顆粒光催化劑的太陽能規模化分解水制氫的“氫農場”策略,這是一種不同于國際上報道的全新策略。而該策略的實現需要解決兩大關鍵問題,一是如何實現高效光催化水氧化儲存太陽能過程,二是如何抑制納米顆粒光催化劑表面生成的氧化態和還原態儲能介質之間的反應(即逆反應)。

中科院大化所李仁貴研究員介紹,“氫農場”策略是借鑒自然光合作用中光系統II和光系統I在空間上分離以及光反應和暗反應在空間上分離的原理,將分解水反應中的水氧化反應與質子還原反應在空間上分離,避免了氫氣和氧氣的逆反應,規避了產物氫氣和氧氣分離等問題,水氧化反應器開放,原理上解決了大規模應用的技術瓶頸。

此外,研究團隊基于晶面間光生電荷分離原理,通過精確調控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應晶面的暴露比例,使光催化水氧化反應性能得到優化,在Fe3+/Fe2+離子對作為儲能介質的條件下,可見光下光催化水氧化量子效率達到60%以上,“氫農場”體系的太陽能到氫能轉化效率超過1.8%,這也是目前國際上報道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的最高值。同時,利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性以及戶外太陽光照射條件下的試驗,驗證了“氫農場”策略的可行性,為基礎研究成果轉化為應用示范提供了科學基礎。

 

美國“光伏制氫”

據外媒報道,科學家們首次研發了一種能夠有效吸收陽光的單分子,而且該分子還可以作為一種催化劑,將太陽能轉化為氫氣,而氫氣可作為清潔的燃料替代品,用于燃油汽車。該種新分子可以從整個可見光光譜中收集能量,與目前的太陽能電池相比,可以多利用50%的太陽能。這一發現可以幫助人們擺脫對化石燃料的依賴,轉向使用不會對氣候造成影響的能源。

該研究團隊由美國俄亥俄州立大學(The Ohio State University)化學與生物物理動力學中心主任兼化學教授Claudia Turro領導。Turro表示:"我們的想法是利用太陽光子,將其轉化為氫氣。簡而言之,我們利用來自陽光的能源,并將其存儲在化學鍵中,以便日后使用。"光子是陽光的基本粒子,包含能量。

研究人員首次證明,可以從太陽光的整個可見光光譜(包括低能量紅外光譜,也是太陽光光譜的一部分,以前很難收集該光譜的能量)中收集能量,并迅速且有效地將其轉化成氫氣。氫氣是一種清潔燃料,在使用過程中不會產生碳或二氧化碳。

Turro表示:"該理念得以實現是因為該系統能夠讓該分子處于激發狀態,吸收光子,并存儲兩個電子,以制造氫氣。在一個由兩個光子產生的分子中存儲兩個電子,并合成制氫,這一做法前所未有。"

將太陽能轉化為汽車燃料首先需要利用一種機制收集能量,再將此類能量轉化為燃料,而轉化需要一種稱為"催化劑"(能夠加速化學反應)的東西,讓太陽能轉化為氫氣等可使用的能源。

以前的研究大多數是嘗試收集紫外線等較高能量波長的陽光,再將此類太陽能轉化為氫氣。Turro表示,少數依靠單分子去收集能量的研究也非常低效,部分原因在于無法從整個可見光光譜中收集能量,而無法做到這一點的原因在于催化劑本身降解得很快。

Turro的研究小組發現了如何用一個分子(元素銠的一種形式)制造催化劑,從而可以損失更少的能量。研究小組找到了方法,可以收集從紅外線到紫外線整個可見光光譜的能量。該研究小組設計的系統與之前和紫外線光子工作的單分子系統相比,效率提高了24倍以上。

在該項研究中,研究人員用LED燈照射含有活性分子的酸性溶液,發現制出了氫氣。Turro表示:"該方法可行的原因是該分子很難被氧化。"

Turro表示,在該研究小組將成果應用于現實世界之前,還有很多工作要完成。銠是一種稀有金屬,以銠為原料制造催化劑的成本較高。目前,該研究小組正致力于改進該分子,使其能夠在更長的時間段內制造氫氣,并致力于利用更便宜的材料制造催化劑。

 
氫云鏈認為,將綠色氫推向市場的最大障礙是資本成本的降低。不過,要想讓價格點正確,必須達到規模經濟。那么,這只是一個行業何時準備采取下一步行動的問題。目前,全球如殼牌等主要企業的參與已經讓我們接近了這個門檻。

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