人工光合作用,來自CO2的終極環保燃料

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/econ/64932-20130227.html?ref=ML

日經技術在線!

綠色器件 2013/02/28 00:00

人工光合作用,來自CO2的終極環保燃料

【日經BP社報導】

與植物一樣,使用CO2生產燃料。

這種夢幻般的技術能夠量產出「無碳」環保燃料。

電子企業憑藉新思路,實現了與植物相當的效率。

「這是算錯了吧?」。

2012年2月,在地處京都府精華町的松下尖端技術研究所,羽柴寬研究員簡直不敢相信自己的眼睛。

按照電腦得出的結果,該研究所開發的人工光合作用系統的能量轉換效率達到了0.2%。

相當於豐田中央研究所開發的人工光合作用系統在半年前,

也就是2011年9月創下的世界紀錄——0.04%的5倍。

效率堪比植物

環保材料研究組專案經理山田由佳介紹說,

「因為光觸媒轉換器採用了全新材料,數值的增加在意料之中,但沒想到會如此之高。0.2%基本與柳枝稷(一種雜草)的光合作用同級,這也就意味著達到了與植物相同的水準」。

植物的葉綠素具有吸收陽光,

把CO2(二氧化碳)和從地下吸收的水分轉化成氧氣、澱粉和糖等養分的作用。

與之相同,使用特殊的觸媒轉換器,按照植物光合作用的原理,

消耗CO2,製造燃料和化學原料的技術就是人工光合作用。

與利用植物原料生產生物燃料一樣,

生產燃料時消耗的CO2與燃料燃燒時釋放的CO2相互抵銷,

理論上可以實現燃料的「無碳」量產。

植物的光合作用分成使用陽光製造氧氣的「光反應」和還原CO2(二氧化碳)製造澱粉等物質的「暗反應」

山田總監說:

「有數據顯示,植樹造林1公頃1年可以減少10噸CO2,

這種人工光合作用系統如果鋪設1公頃,在理論上可以吸收等量的CO2」。

現在,該系統生成的產物是染料和香料的原料——有機化合物甲酸。

如果鋪設1公頃,1年可製備甲酸為9000L。

在未來2年,該公司計劃繼續進行開發,不再利用該系統製備甲酸,

而是製備與之等量的酒精。 

製備的過程如下。首先,向沒入水中的光觸媒轉換器照射陽光,把水分解成氧氣和氫離子。其間同時還會產生電子。氫離子移動到交換膜上,電子通過電線移動到對CO2進行還原的光觸媒轉換器上。此時,CO2從外部輸入,與氫離子發生反應生成甲酸。電子在CO2與氫離子生成甲酸的過程中被消耗掉。
      

植物的光合作用分為兩個階段:①在陽光作用下將水分解成氧氣、電子、氫離子的「光反應」;②消耗分解電子、氫離子的能量,利用CO2合成澱粉等物質的「暗反應」。

 

從1970年代至今,科研人員對植物光合作用第一階段的「光反應」反覆進行了研究。目的是為燃料電池等製備作為燃料的氫氣。研究表明,在植物光合作用中,植物利用陽光分解水時,一種叫做「錳簇」的物質發揮著觸媒轉換器的作用。但是,由於太過微小,錳簇的構造一直無人知曉。 

2011年4月,大阪市立大學教授神谷信夫等人利用大型輻射設施「SPring-8」(兵庫縣)對原子間距進行分析,在世界上率先發現了錳簇的立體構造。研究結果得到了美國《科學》雜誌的表揚。在那以後,為了製造出構造與錳簇相似的物質,世界各地都加快了研究的步伐。 

在日本,分子科學研究所、東京工業大學等機構利用金屬與非金屬原子混合化合物,也就是有機絡合物模仿植物的機理,為揭示光合作用的機製做出了貢獻。但是,由於有機絡合物只能對陽光中的特定波長做出反應,因此,在充分利用全波長太陽能上存在局限性。 

此時,豐田中央研究所的研究成果成為了打開局面的契機。該所採用的是光觸媒轉換器中唯一有實用業績、已經得到外牆防污塗料和空調過濾器採用的氧化鈦。氧化鈦的氧化還原能力強,是利用水製備氫氣時最常用的高效光觸媒轉換器。但單獨使用只能利用陽光製備氫氣,不能還原CO2。
       豐田中央研究所通過結合特殊的有機絡合物作為第二觸媒轉換器,在世界上第一個只使用水、氧氣和陽光,在常溫常壓狀態下成功實現了人工光合作用。
       豐田中央研究所于2011年9月發表了研究成果。聽聞這一消息,松下尖端研主管研究員四橋聰史也不禁怏怏地表示「被搶先了一步」。
       但豐田中央研究所發表的能量轉換效率為0.04%。四橋回顧當時的情景時表示,「我們對超越信心十足」。

因為松下採用的是一種前所未有的全新方法。

社長宣言,沒了退路

2009年10月7日,家電展會「CEATEC JAPAN」在千葉幕張開幕。在座無虛席的觀眾面前,松下社長大坪文雄(當時,現任會長)發出了這樣的宣言:「松下正在研究讓CO2轉變成甲醇的光觸媒轉換器。這種觸媒轉換器能夠充分利用太陽能,在削減CO2的同時,還能生產出燃料」。 

聽罷演講,山田總監所率領的京都松下尖端研的成員們仰天長嘆。「大坪社長在夏天來視察過,當時我們的確做了展示,但沒想到社長竟然會這樣大張旗鼓地發表。原本只是『要是成功的話挺不錯』的事情一下子成了『勢在必行』的事情。」(山田總監)。 

松下從2009年開始高舉「環境革新企業」的大旗,大力發展光伏發電、燃料電池、鋰離子充電電池等能源領域。正因為如此,大坪社長才牢牢盯住了尖端研究員們的展示,但在當時,多數的研究成員「雖然曾經從事過燃料電池的研究,但對於人工光合作用幾乎都是外行」(山田總監)。 

研究組瞄準的光觸媒轉換器材料是GaN(氮化鎵)。

GaN是電子企業非常熟悉的半導體。

主要在藍寶石基板上結晶,作為藍色LED(發光二極體)的材料使用。

而且,在控制電力的功率半導體領域,GaN作為降低功率損失的新一代材料,同樣備受關注。「是電子行家在思考光與電(能)的轉換時首先會想到的材料」(主任研究員四橋)。

過去的研究者連想都沒有想過的GaN沒有辜負松下技術團隊的希望,得到了預期的結果。

研究結果顯示,與使用氧化鈦等氧化物相比,GaN能夠使電子達到更高的能態(激發態)。

對於激發不足的部分,豐田中研利用有機絡合物進行了補充,而松下尖端研通過GaN,使電子一次性達到了還原CO2需要的能態。

另一個關鍵點是使用電子企業擅長的薄膜疊層技術。如下圖所示,藍寶石基板上疊加GaN,其上又疊加了AlGaN(氮化鋁鎵)層。

AlGaN 層的雜質少,透明度非常高。按照設計,水分解出的質子和電子各自順利分離到表面層與下層。

「實現這樣的設計依靠的是薄膜技術。

借助這項技術,效率提高了一個數量級」(主管研究員四橋)。

 

可以說,不受「模仿植物構造」的傳統研究方向的束縛,發揮電子企業的強項是推動研究取得進展的動力。 

從世界範圍來看,人工光合作用也是關注的焦點。

美國能源部計劃從2010年開始,在5年時間內,向人工光合作用的實用化研究投入1.22億美元。

在領跑的日本,經濟產業省從2012年7月開始,啟動了企業研究所、大學等機構參與的實用化開發項目。 

現在還有很多技術都在研究之中,松下的山田總監認為,「目前,相對於專攻一點,還處於各種方法相互切磋、相互競爭,全面觀察可能性的階段」。

(記者:小板橋太郎,《日經商務週刊》)

■相關報導

日本產綜研、NEC及九州大學開發出以裸藻為主要原料的塑膠
日本正式啟動 「人工光合成化學」基礎技術國家計畫
昭和鈦公司開發出光催化活性最高的二氧化鈦

■日文原文
CO2から究極のエコ燃料

————————————————————————————————————

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。