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直接太阳照射的光催化分解水制氢反应系统

氢,是宇宙中最古老的元素,太阳诞生之前它就已经存在了;氢,也是宇宙中最丰富的元素,氢原子占了整个宇宙原子数的88.6%。不仅水中有氢,太阳的能量来源于氢,未来地球的主要能量来源可能也是氢能。 

绿氢是利用太阳能、风能等可再生能源产生的,可以“绿电”制“绿氢”或光催化分解水制氢。 

绿电就是用风、光、水、地热等可再生能源发电,接着再通过绿电催化分解水而生产的H₂,其碳排放极低。 

自去年我国“双碳”目标提出以来,绿氢在国内掀起了一轮热潮。电解水制氢具有绿色环保、生产灵活、纯度高等特点,可以满足高纯度的氢气需求。 

大规模、低成本、清洁的绿氢从哪来-光催化分解水制氢 

中国科学院院士、中国科学技术大学化学与材料科学学院院长李灿院士团队利用太阳能等可再生能源产生的电力电解水生产氢,并将二氧化碳与氢合成为甲醇等便于储运的绿色液态燃料。 

“氢农场”项目需要解决两个关键问题,一是如何实现高效水氧化光催化过程,二是如何抑制纳米光催化剂表面生成的氧化态和还原态物种之间的反应[1]

泊菲莱科技受李灿院士团队委托定制开发了反应面积为5 m2的直接太阳光阵列式平板光化学反应系统,利用太阳能光催化技术进行光化学反应的研究。该系统采用阵列方式组合,将光催化剂涂敷于反应系统上表面,利用户外直接太阳光照射完成光催化分解水的反应。 

直接太阳光阵列式平板光化学反应系统可监测辐照度、紫外辐射、辐照总量、溶液度pH值、ORP(Oxidation-Reduction Potential)等参数,对反应系统中出入口、中间温度和环境温度进行监测,为达到最佳有效光照角度,支架可在20~70°范围内调节,同时也兼具IP5防水级别、耐候性和抗温冲击性等在户外使用时所必备的性能。

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图5. 泊菲莱科技直接太阳光阵列式平板光化学反应系统

但绿氢的来源不止有电解水的方法。 

日本东京大学的Kazunari Domen教授团队[2]报道了利用铝掺杂钛酸锶(SrTiO3:Al)光催化分解水制氢,在1 m2平板反应器系统进行放大,并成功展示了100 m2的平板反应器阵列,最高STH达到0.76%。虽然氢气生产效率比较低,但这项研究表明,大规模的光催化水分解制氢和气体收集分离是可能的。 

泊菲莱科技自主研发的PLR-SPR100太阳光解水反应装置,专门针对大面积光催化分解水制氢研究而开发。该装置是将光催化剂吸附于反应器上部,多个反应器并联,液体在机械泵的作用下从反应器的下端流入、上端流出,液体流过反应器,经过太阳光直接照射,光催化反应体系产出氢气,将光催化分解水产生的氢气携带至气-液分离装置。在气-液分离装置内,液体继续流回至反应器中,光催化分解水产生的氢气从气-液分离装置上端逸出,通过质量流量计测量并记录氢气产量,将光催化分解水产生反应产生的氢气储存至气体收集装置中。

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图6. 泊菲莱科技PLR-SPR100太阳光解水反应装置

氢能源是未来能源技术革命和产业发展的一个重要方向,对“碳达峰”和“碳中和”的实现起到了重要作用,也是推动能源体系绿色低碳转型的重点,而绿氢的发展将是重中之重,泊菲莱科技也会在光催化及其相关研究领域为其贡献一份力量。


[1] Zhao Yue, Li Rengui*, Li Can*, et. al. A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts[J]. Angew, 2020, 132(24), 9740. 

[2] Nishiyama, Hiroshi, Yamada, Taro, Kazunari Domen*, et. al. Photocatalytic Solar Hydrogen Production from Water on a 100 m2-scale[J]. Nature, 2021, 598, 304.

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