光致熱催化:用太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)工業(yè)催化 李亞光 河北大學(xué)，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

背景介紹

           太陽(yáng)能的利用目前以光伏發(fā)電為主，由于受天氣、環(huán)境溫度等因素影響，光伏發(fā)電的輸出功率具有不穩(wěn)定的問(wèn)題，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。除了光伏發(fā)電，太陽(yáng)能的光熱利用是另一個(gè)方式?；ぎa(chǎn)業(yè)需要很多的催化反應(yīng)，而催化反應(yīng)需要熱能驅(qū)動(dòng)，消耗了大量的化石能源和電能。所以，利用太陽(yáng)光提供熱能，進(jìn)行光驅(qū)動(dòng)的熱催化，可以節(jié)省巨量的化石能源、電能，為碳減排做出貢獻(xiàn)，還能將太陽(yáng)能存儲(chǔ)于化學(xué)品中。由于化學(xué)品是凝聚態(tài)物質(zhì)，利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，所以光驅(qū)動(dòng)熱催化可以解決太陽(yáng)能的存儲(chǔ)問(wèn)題。目前光熱催化是將催化劑直接在太陽(yáng)光下輻照，而催化劑在自然光輻照下的溫度普遍低于70 ℃，溫度過(guò)低，不能驅(qū)動(dòng)化工的催化反應(yīng)。目前的光熱催化采用輔助加熱或者增加光輻照強(qiáng)度（目前的報(bào)道中至少需要10倍標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光密度的光源輻照）來(lái)提升催化劑溫度至200 ℃量級(jí)，但是這兩種措施都會(huì)造成巨大的成本負(fù)擔(dān)和能源消耗，使得光驅(qū)動(dòng)熱催化不能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。所以，利用低密度的室外太陽(yáng)光去驅(qū)動(dòng)高效熱催化是現(xiàn)實(shí)需求。

工作介紹

新型光驅(qū)動(dòng)熱催化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自然太陽(yáng)光輻照下催化劑獲得高溫

          目前傳統(tǒng)吸光材料在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照下也只能獲得70 °C量級(jí)的溫度，溫度過(guò)低，不能推動(dòng)催化反應(yīng)。我們認(rèn)為吸光材料在弱光輻照下獲得高溫的關(guān)鍵是降低熱耗散，同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)熱輻射是吸光材料熱耗散的主要途徑。我們提出利用選擇性吸光材料吸收太陽(yáng)光，該材料可以吸收95%的太陽(yáng)光，熱輻射僅為報(bào)道吸光材料的1/10，能夠在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照下產(chǎn)生300 °C的高溫，是傳統(tǒng)吸光材料的三倍以上，實(shí)   現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)下的催化反應(yīng)。

                                                                   圖1：本課題組新型光熱裝置的示意圖（a），吸收光譜圖（b），標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照下的裝置紅外圖（c），裝置在不同太陽(yáng)光輻照下的溫度圖（d）。

應(yīng)用實(shí)例

1.自然太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)熱催化甲醇重整產(chǎn)氫

          熱催化甲醇重整產(chǎn)氫需要天然氣燃燒提供熱源，每產(chǎn)生10 m³ 氫氣需要消耗1 m³ 天然氣。我們實(shí)驗(yàn)室批量化制備了高性能的二維Cu基催化劑，結(jié)合該光熱轉(zhuǎn)換裝置，標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的甲醇重整產(chǎn)氫速率為3845 L m^-2 h^-1。將該新型系統(tǒng)放大到工業(yè)規(guī)模運(yùn)行，在冬季，由1000 m²的室外陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)甲醇重整反應(yīng)一天可產(chǎn)生2000 m³的氫氣，相當(dāng)于節(jié)省200 m³的天然氣；在夏季，1000 m²的室外陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)甲醇重整反應(yīng)一天可產(chǎn)生4500 m³的氫氣，相當(dāng)于節(jié)省450 m³的天然氣；為解決甲醇重整的高能耗問(wèn)題提供了切實(shí)可行的途徑。

                                                                                                                                            圖2：本課題組新型光熱裝置的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照甲醇重整產(chǎn)氫性能圖。

                                                                                                                                                圖3：本課題組新型光熱裝置的甲醇重整現(xiàn)場(chǎng)圖和產(chǎn)氫性能圖。

2. 自然太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)水煤氣變換（WGS）反應(yīng)

           WGS可直接將煤炭資源轉(zhuǎn)換為氫能，對(duì)緩解我國(guó)當(dāng)前的能源和環(huán)境危機(jī)有極大的助益。然而傳統(tǒng)的WGS反應(yīng)是熱催化過(guò)程，在工業(yè)化應(yīng)用中，高溫的產(chǎn)生是巨大的能量消耗，這也是科研人員長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法突破的瓶頸。本課題組利用選擇性吸光原理構(gòu)建了新型光熱轉(zhuǎn)換裝置，在1個(gè)太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)氫速率為189.72 mmol g^-1 h^-1，相當(dāng)于758.6 L m^-2 h^-1。將該新型WGS系統(tǒng)放大到工業(yè)規(guī)模運(yùn)行，在春季的白天，由4.2 m²的室外太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)可產(chǎn)生6.60 m³的氫氣，為解決水煤氣變換領(lǐng)域的高能耗問(wèn)題提供了切實(shí)可行的途徑，同時(shí)也開(kāi)辟可規(guī)?；?、高效、穩(wěn)定的工業(yè)WGS制氫新方向。

                                                                                                                                                圖4：本課題組新型光熱裝置的現(xiàn)場(chǎng)圖和產(chǎn)氫性能圖。

3.自然太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)VOCs消除

           VOCs即揮發(fā)性有機(jī)物，是形成細(xì)顆粒物(PM2.5)、臭氧(O₃)等二次污染物的重要前體物，進(jìn)而引發(fā)灰霾、光化學(xué)煙霧等大氣環(huán)境問(wèn)題。隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展以及能源消費(fèi)的持續(xù)增長(zhǎng)，以PM2.5和O₃為特征的區(qū)域性復(fù)合型大氣污染日益突出，區(qū)域內(nèi)空氣重污染現(xiàn)象大范圍同時(shí)出現(xiàn)的頻次日益增多，嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，威脅人民群眾身體健康。為了根本解決PM2.5、O₃等污染問(wèn)題，切實(shí)改善大氣環(huán)境質(zhì)量。國(guó)家應(yīng)積極推進(jìn)其關(guān)鍵前體物VOCs的污染防治工作。但是，目前VOCs污染消除需要大量能源，由于我們基于選擇性光吸收原理構(gòu)建的新型光熱系統(tǒng)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光輻照下可產(chǎn)生250-300℃的高溫，足夠進(jìn)行VOCs催化消除。我們還基于模板法開(kāi)發(fā)了一系列新型催化劑。結(jié)果表明，在自然太陽(yáng)光輻照下，新型光熱系統(tǒng)和催化劑在CO氧化、NOx脫除、甲苯、氯苯催化燃燒等一系列VOCs消除方面顯示出可以直接工業(yè)化的效率。該方式不僅在大氣污染治理方面具有工業(yè)量級(jí)的效率，而且只需要太陽(yáng)光提供能源，是下一代的大氣環(huán)境污染處理裝置。

                                                                                                                                                                圖4：本課題組新型光熱裝置的CO消除性能圖。

4.太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)二氧化碳和水轉(zhuǎn)換為一氧化碳、甲烷等

          隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快,工業(yè)生產(chǎn)排放的CO₂日益引起人們的關(guān)注,其所引起的“溫室效應(yīng)”和“臭氧空洞”影響著人類與自然的和諧相處。鑒于此種嚴(yán)峻的形勢(shì),習(xí)總書(shū)記提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的3060目標(biāo)。以太陽(yáng)光為能源，以CO₂ 和H₂O 為原料，將CO₂轉(zhuǎn)換為有用的含碳物質(zhì)，如CO、CH₄等，是促進(jìn)碳循環(huán)以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的碳中和社會(huì)的一種有前途的方式。本課題組在全世界首先制備出了太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的，以CO₂ 和H₂O 為原料產(chǎn)生CO、CH₄的規(guī)?；O(shè)備。在示范化階段，200平方米的系統(tǒng)能夠在室外太陽(yáng)光輻照下，平均一天產(chǎn)生高純CO 11Nm³，即每天高純CO產(chǎn)量為12公斤，年消耗CO₂能力為6.6噸，相當(dāng)于一畝地的系統(tǒng)能夠固定CO₂ 22噸/年。也能夠一天產(chǎn)生CH₄ 3Nm³，即每天高純CO產(chǎn)量為2公斤，年消耗CO₂能力為1.8噸，相當(dāng)于一畝地的系統(tǒng)能夠固定CO₂ 6噸/年。

另外，該系統(tǒng)可以利用工業(yè)副產(chǎn)氫氣與CO₂反應(yīng)生成CO、CH₄等，在200平方米的系統(tǒng)能夠在室外太陽(yáng)光輻照下，平均一天產(chǎn)生高純CO 102 Nm³，或者產(chǎn)生CH₄ 45 Nm³，相當(dāng)于一畝地的系統(tǒng)能夠固定CO₂ 220噸/年（產(chǎn)CO）或者固定CO₂ 90噸/年（產(chǎn)CH₄）

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