楊仲卿：太陽(yáng)能光催化還原CO2及分布式應用場(chǎng)景

編者按：“雙碳”背景下，隨著(zhù)科技水平不斷進(jìn)步和能源行業(yè)快速發(fā)展，分布式能源已成為引領(lǐng)能源領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢之一。第十九屆中國分布式能源國際論壇”于2023年12月12日在重慶召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，

重慶大學(xué)能源與環(huán)境研究所副所長(cháng)楊仲卿教授做了主題為《太陽(yáng)能光催化還原CO2及分布式應用場(chǎng)景》的報告。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

楊仲卿：好，謝謝段主任的介紹。

各位專(zhuān)家、各位同事，大家下午好。我是來(lái)自重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，在開(kāi)始之前我先簡(jiǎn)單介紹一下我們單位。

重慶大學(xué)于1929年成立，我們學(xué)院1937年成立，現在我們有四個(gè)專(zhuān)業(yè)，一個(gè)是能源與動(dòng)力工程;新能源科學(xué)與工程;核工程核技術(shù);儲能科學(xué)工程。我們前三個(gè)專(zhuān)業(yè)都已經(jīng)建成了國家一流本科專(zhuān)業(yè)，儲能這個(gè)專(zhuān)業(yè)我們是一個(gè)新型工科專(zhuān)業(yè)，我們已經(jīng)把它建成了一個(gè)國家級的平臺，叫做儲能?chē)耶a(chǎn)教融合平臺。這是國家七個(gè)平臺之一。

今天非常容幸有機會(huì )我們參加分布式能源的國際論壇，特別是我們今天這個(gè)論壇講的是分布式能源的創(chuàng )新業(yè)態(tài)，我就想把我們創(chuàng )新的一些想法，還有一些我們研究的成果向各位專(zhuān)家做一個(gè)匯報，大家一起來(lái)交流。

我的題目是《太陽(yáng)能光催化還原CO2及分布式應用場(chǎng)景》，我將從以下幾個(gè)方面向各位做一個(gè)匯報。

第一，技術(shù)背景。今天上午大會(huì )很多專(zhuān)家都提到了，我們在碳達峰和碳中和，在雙碳的背景下，我們在這個(gè)背景下如何來(lái)構建現代化的能源體系以及加快推進(jìn)能源轉型，是我們共同關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

在國家政策導向下，我們就有一個(gè)二氧化碳的補給和利用就是實(shí)現我們碳達峰當中的一個(gè)很重要的手段，我們叫CCUS。對于二氧化碳的補給和利用當然有很多的技術(shù)路徑和技術(shù)的手段，它常規的方法從工藝編輯當中給它補給儲存下來(lái)，經(jīng)過(guò)壓縮、運輸和儲存，最后來(lái)進(jìn)行利用。在利用環(huán)節有很多的方式，包括地質(zhì)儲存、去油、生物利用、礦化，當然我們在工業(yè)當中應用是我們把二氧化碳，把溫室氣體做成我們更有價(jià)值的資源化利用的一個(gè)非常重要的方式。

我們的關(guān)注點(diǎn)就是怎么樣把二氧化碳補給下來(lái)之后，還要把它變成我們有價(jià)值的能源。我們要想把二氧化碳還原，要想把它變成燃料，也有一些不同的方法和路徑。比如說(shuō)，我們用熱催化的方法，當然它太耗能。我們用電催化的方法，我們要消耗電能。所以我們就提出來(lái)一種方法，叫做人工光合作用。這種光合作用它的能量全部來(lái)自于太陽(yáng)能，從太陽(yáng)能當中來(lái)獲取能量，最后把我們二氧化碳和水把它變成我們所說(shuō)的太陽(yáng)能燃料。它的反應就是二氧化碳加水的過(guò)程，它是仿照著(zhù)我們的光合作用整體過(guò)程。

最終，它會(huì )生成我們說(shuō)的太陽(yáng)能燃料的一氧化碳、甲烷，這是我們所需要的燃料。它需要的能量就來(lái)自于太陽(yáng)光。

在光催化當中，我們國內外也有很多的學(xué)者做這個(gè)研究，但是目前來(lái)看存在一個(gè)問(wèn)題，現在光催化的效率不太高。原因是什么呢?我們傳統的光催化主要是針對我們可見(jiàn)的紫外的波段。我們本身的專(zhuān)業(yè)學(xué)的是能源動(dòng)力，我們關(guān)注熱能利用，我們把太陽(yáng)能當中的全光譜利用起來(lái)。除了它的可見(jiàn)光，還有紫外光以外，還有紅外的一部分。紅外的一部分可以采用，熱又促進(jìn)我們光的催化，所以它是一個(gè)協(xié)同的效應。

我們采用這種方法以后，它可以克服我們傳統的光催化當中只利用可見(jiàn)和紫外的部分，沒(méi)有利用紅外部分，所以它的產(chǎn)率會(huì )大大的得到提高。我們這個(gè)技術(shù)特點(diǎn)也是光的協(xié)同利用。

總體來(lái)看，它的第一個(gè)特點(diǎn)就是剛才講的人的光合作用來(lái)制備碳氫燃料。

另外一個(gè)，就是太陽(yáng)光譜全部的替劑利用。它有紅外、紫外、可見(jiàn)光都有，它同時(shí)也是我們把太陽(yáng)能變化的能源變成了我們可儲存的化石能源的一個(gè)過(guò)程，它是實(shí)現了太陽(yáng)能儲能的技術(shù)。當然，這個(gè)技術(shù)里面聽(tīng)起來(lái)很好，但是實(shí)際上有很多的問(wèn)題需要解決。比如說(shuō)，它里面存在著(zhù)傳輸距離大，電子的傳輸距離大，另外太陽(yáng)光的吸收效率低，還有電子跨界面傳輸困難以及熱值強化存在困難等等問(wèn)題。這個(gè)地方我們都逐一對它進(jìn)行了一個(gè)解決。解決了以后，我們就形成了一個(gè)光熱協(xié)同催化還原二氧化碳的提供方法，這個(gè)方法能夠實(shí)現我們二氧化碳的一個(gè)高效的轉化。

接下來(lái)，還有一個(gè)技術(shù)應用。既然它可以把二氧化碳利用，我們就結合到太陽(yáng)光的本身特點(diǎn)，能不能就把它做成一些不同應用場(chǎng)景。比如說(shuō)，模塊化的太陽(yáng)能板式的二氧化碳還原裝置，一會(huì )兒我們會(huì )向大家做詳細的匯報。這樣它可以實(shí)現一個(gè)分布式靈活的布置。另外，它除了光以外，還可以把我們的風(fēng)結合到一起，風(fēng)光耦合來(lái)實(shí)現太陽(yáng)能的轉化。另外，第三個(gè)方面，它是不是可以把我們在工業(yè)當中的一些余熱、余壓利用起來(lái)，把它做成一個(gè)工業(yè)余壓共同來(lái)做光協(xié)同催化的一個(gè)方案。

我向各位專(zhuān)家匯報的第二部分，研究成果和進(jìn)展，怎么樣把剛才提到的問(wèn)題解決的。

第一個(gè)，我們解決了什么呢?光激發(fā)出來(lái)以后，我們要盡快的把讓它傳輸到二氧化碳反應的位點(diǎn)上去，這個(gè)地方我們就構建了碳氫包厚度的原子薄的木穿壁(音)，作為它的碳氫燃料。這個(gè)厚度只有1.76個(gè)納米，我們通過(guò)這樣一個(gè)非常薄的材料，它就可以實(shí)現光激發(fā)以后很快就到了我們二氧化碳被吸附的活性物檢上去，把二氧化碳還原了。

第二個(gè)方面，我們要實(shí)現全光譜的利用，它需要把我們的光盡量的給吸收。我們就從黑蝴蝶上面得到的啟發(fā)，大家看到這個(gè)黑蝴蝶為什么黑呢?實(shí)際上光進(jìn)來(lái)以后，沒(méi)有任何的反射，全部被吸收了。我們就從這上面得到了一個(gè)啟發(fā)，做成仿生的矩陣列。光進(jìn)來(lái)以后，我們沿著(zhù)這個(gè)光的通道，所有的把光全吸收下來(lái)，它就可以有很高的光的一個(gè)利用的效率。

經(jīng)過(guò)這樣的設計以后，我們就達到了與國際水平還要高。

另外，我們在這個(gè)基礎之上又構建了漸變電子橋。我們把它一些活化的中心把它放在了一個(gè)很微觀(guān)的納米島上，通過(guò)這樣的構建，我們抑制它的電子在這個(gè)島內進(jìn)行傳輸，也是防止它的載流子來(lái)進(jìn)行復合。有了這個(gè)方法以后，在我們之前的基礎之上，進(jìn)一步又提高了它的效率。

為了提高它的轉化的強度，還有一個(gè)方法策略，就是仿真植物根莖。因為這個(gè)過(guò)程它反映到二氧化碳和水，因為我們這個(gè)專(zhuān)業(yè)里面也是搞傳質(zhì)這方面的研究，所以我們就把它傳質(zhì)的過(guò)程進(jìn)一步的來(lái)進(jìn)行強化。我們就用石墨硒的氣凝膠漂浮在葉面上面，使光熱水蒸發(fā)與二氧化碳能夠盡快的接觸，使它的氣態(tài)形式能夠精準的傳輸到它的活性物檢上去，提高它的活性能力。這樣的話(huà)，產(chǎn)率已經(jīng)達到了國際的頂尖水平。這是我們從微觀(guān)結構上的研究。

經(jīng)過(guò)上面的研究之后，我們就形成了我們光熱協(xié)同催化還原二氧化碳調控的方法。

接下來(lái)，我們想要把這個(gè)技術(shù)和方法應用到我們實(shí)際的工作當中去。第一個(gè)，我們構象就是用太陽(yáng)能板式做一個(gè)全太陽(yáng)光譜的C02協(xié)同二氧化碳的還原應用裝置。它就有點(diǎn)像我們的一個(gè)太陽(yáng)能的光伏的單元，非常的類(lèi)似，做到板式的C02協(xié)同催化二氧化碳的裝置。還可以有一個(gè)立體的接收面，在地面上我們可以有一定的清剿，可以減少它的占地面積。

另外，有一些感光的單元。二氧化碳我們就可以從它的通道里面，我們這里有通道，從通道里面流進(jìn)去，和我們的催化進(jìn)行反應。在光照的條件下出去以后，就并成了我們所需要的一個(gè)太陽(yáng)能燃料。這樣就做一個(gè)最小的單元，就有很好的可擴展性。

我們一個(gè)單元，單個(gè)太陽(yáng)能板，我們的設計它的吸收效率應該在90%以上，甲烷和碳金燃料的產(chǎn)率一個(gè)單元可以80升每天，甲烷的選擇性可以到90%以上。

這個(gè)效率怎么樣呢?我們就把技術(shù)和我們常規的，比如說(shuō)有電催化還原二氧化碳作了一個(gè)比較。所以我們電催化還原二氧化碳，我們這個(gè)電來(lái)自于可再生資源，所以它是一個(gè)串聯(lián)的方式。我們本身直接太陽(yáng)光來(lái)還原二氧化碳，我們就作了一個(gè)比較。在效率上面也是有一定的優(yōu)勢，這是第一種應用的場(chǎng)景。

比如說(shuō)，它可以應用在一些中小型的工廠(chǎng)和企業(yè)，有一百個(gè)平米左右園區的空地和投資地，但是投資的周期可能比較長(cháng)，在15年左右。它產(chǎn)生的燃料可以用于，比如說(shuō)我們固然，代替一些點(diǎn)火燃料等等，它的特點(diǎn)是適用于小規模的一些應用，結構比較簡(jiǎn)單，成本低，可以靈活拆分和組裝。

第二種方式，在我們這個(gè)技術(shù)之上，還可以加一些風(fēng)光互補。這是一個(gè)風(fēng)光互補的裝置，中間是太陽(yáng)能光照，通過(guò)它這個(gè)窗口。外面我們加了一個(gè)什么呢?它通過(guò)風(fēng)力的轉動(dòng)，它可以產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)像葉片一樣的，葉片在風(fēng)的作用下可以帶動(dòng)它的旋轉，旋轉它就可以通過(guò)切割的形式產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)對我們的光催化又是一個(gè)很好的強化作用，我們就可以把它做成風(fēng)光互補的這么一種形式。又把它的應用場(chǎng)景進(jìn)一步的拓展，它的一個(gè)單個(gè)的裝置我們也可以做到10個(gè)左右，最大的高度可以大15米左右。

在標準的太陽(yáng)光下，單個(gè)的風(fēng)光互補的太陽(yáng)能光催化還原二氧化碳裝置，它的吸收率，太陽(yáng)能的利用率可以到90%，產(chǎn)燃料一天可以到1800升，效率是8%到12%，因為這個(gè)地方加了風(fēng)能，所以效率進(jìn)一步的提升。甲烷的轉化率可以達到90%以上。

我們應用的場(chǎng)景就包括風(fēng)光條件比較好的，像工廠(chǎng)的一些設備的頂部都可以做風(fēng)光互補的裝置，它產(chǎn)生的甲烷和燃料都可以作為補燃的替代燃料，它的投資回收期就會(huì )比較短，大概在五年左右。適用規模是集中式、中小型、戶(hù)外風(fēng)光的儲能應用，可以建立新型能源島的形式，我們來(lái)比較它的效率。

本身它可以做成一個(gè)串聯(lián)的形式，單個(gè)可以做10個(gè)平方左右，它可以做成一個(gè)串聯(lián)的形式。

第三個(gè)方面，我們基于工業(yè)和余熱、余壓。在工廠(chǎng)的生產(chǎn)當中會(huì )有很多的余熱和余壓，溫度不是特別高，可能一兩百度，壓力可能也不太高，這種場(chǎng)合實(shí)際上就可以應用到光催化二氧化碳還原當中來(lái)，因為二氧化碳需要水反應，如果我們有一個(gè)水蒸氣，作為代壓的一個(gè)反應條件，會(huì )進(jìn)一步的來(lái)促進(jìn)它的反應的效果。我們設計的場(chǎng)景就是把燃氣中提純的二氧化碳，把它和廢蒸汽運用到余熱、余壓反應當中，就來(lái)進(jìn)行反應?？梢岳梦覀児I(yè)廢氣當中的溫度和壓力，這樣的話(huà)，同樣它的單個(gè)反應器可以做到10個(gè)左右，高度可以在3米左右。

另外，太陽(yáng)光也可以聚光，可以產(chǎn)生一些高溫和高壓的水蒸氣。所以它的吸收率90%，甲烷的產(chǎn)率每天可以到6700升左右，效率15%到20%，所以這個(gè)效率可能就提高的比較多。這個(gè)地方就可以用到余熱、余壓的一些工廠(chǎng)，實(shí)現一些中型和大型的工廠(chǎng)里面，它的廢氣、廢熱結合起來(lái)應用。

現在這個(gè)技術(shù)在國內外的情況怎么樣呢?我們來(lái)看一下，國外現在有一家，蘇黎士聯(lián)邦理工首次用了空氣中的二氧化碳來(lái)合成煤油的裝置。這個(gè)二氧化碳來(lái)自于空氣中的二氧化碳來(lái)補給，補給完之后用二氧化碳催化劑把它變成一氧化碳和氫氣，一氧化碳和氫氣進(jìn)一步的去反應，去做了航空煤油，所以它的鏈條比較長(cháng)，每天可以產(chǎn)2000升左右，它的效率是10%到20%。它也是在去年發(fā)表在了期刊上面。

目前來(lái)看，我們國家還沒(méi)有做這樣的一個(gè)示范，所以我們就分析了一下，我們技術(shù)里面還是有一定的優(yōu)勢。國外它先轉化成合成器，然后再進(jìn)行高速化轉化，鏈條是比較長(cháng)，我們這個(gè)就可以直接來(lái)進(jìn)行轉化，成本也比較低，規模也是可以靈活的，規?？纱罂尚?，有這樣的一個(gè)優(yōu)勢。

向大家匯報一下，我們的光催化還原二氧化碳。當然我們做分布式應用場(chǎng)景，還沒(méi)有具體的案例，我們現在做了一些前沿的探索，如果大家有興趣，我們可以一起來(lái)共同的推進(jìn)一下，我們把一些新的研究成果能盡快的落地。謝謝。