北京
“2024中國氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會”日前在四川省攀枝花市召開。中國科學院過程工程研究所研究員段東平在會上表示，人類利用自然能的最理想模式是采用最短路徑將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并可同時高效光解水制氫。
段東平在報告中指出，光催化制氫屬于均相水分解，是最簡單、成本最低的制氫方式之一。但同時，作為前沿制氫技術(shù)，光催化制氫在提高水分解效率、保持光穩(wěn)定狀態(tài)等方面依然面臨一些挑戰(zhàn)，且制氫過程仍需額外的能量實現(xiàn)氫氣和氧氣分離。
段東平團隊通過多年研究，采用全球首次研發(fā)成功的形貌可控的納米二十六面體鈦酸鍶晶體和自行研發(fā)的二次聚光系統(tǒng)進行光電轉(zhuǎn)換發(fā)電和光催化反應(yīng)制氫，設(shè)計出了高倍聚光系統(tǒng)里的聚光發(fā)電與催化制氫新路線，提出了晶面激發(fā)態(tài)模型與高倍聚光積發(fā)態(tài)理論，實現(xiàn)了可以在同一套聚光設(shè)備里根據(jù)需要發(fā)電或者制氫，并于2024年3月在河南鄭州建成多面體鈦酸鍶聚光量子發(fā)電與聚光催化制氫一體化技術(shù)MW級示范線，助推并引領(lǐng)聚光量子發(fā)電與聚光催化制氫新技術(shù)和新理論的發(fā)展與推廣。
據(jù)段東平介紹，鈦酸鍶是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有熱穩(wěn)定性好、光量子利用率高和紫外光吸收能力強等優(yōu)點，是低密度太陽能轉(zhuǎn)化為高密度化學能的理想催化材料之一。科研團隊為進一步提高光電轉(zhuǎn)換能力，合成出了具有中空籠狀形貌且晶型穩(wěn)定的新型多面體鈦酸鍶微納米顆粒，其激發(fā)自由載流子能力更強、載流子壽命更長，且產(chǎn)生的自陷激子減弱了光載流子的復(fù)合，可顯著提高光響應(yīng)性與光子利用率。同時，通過鈦酸鍶與石墨烯、碘氧化鉍、碳酸鍶/硫酸鍶、金屬摻雜等合成復(fù)合材料，載流子分離效率得到了有效提高，且光響應(yīng)范圍未來也可拓展至全光域。
段東平指出，采用鈦酸鍶進行光催化制氫具有四方面優(yōu)勢：一是鈦酸鍶熔點高達2060℃，其穩(wěn)定性和適應(yīng)性好；二是多晶面的鈦酸鍶可激發(fā)更多的有效光電子，提高光電轉(zhuǎn)換效率；三是通過使用鈦酸鍶材料可使紫外線在增強發(fā)電效率的同時避免對光伏系統(tǒng)的損壞；四是聚光太陽能與鈦酸鍶的四維構(gòu)型結(jié)合可實現(xiàn)電能高效轉(zhuǎn)換。
據(jù)段東平預(yù)測，到2025年通過多面體鈦酸鍶聚光量子發(fā)電技術(shù)，太陽能綜合利用效率可達45%。
段東平表示，其團隊首創(chuàng)的二十六面體鈦酸鍶及多面體中空籠狀鈦酸鍶具有原材料獨占性，目前已掌握多面體鈦酸鍶的制備技術(shù)，并且正在建設(shè)百噸級生產(chǎn)線。同時，研究團隊已完成“高倍聚光-發(fā)電+光解水制氫一體化”成套技術(shù)與裝備的研發(fā)，可實現(xiàn)千倍聚光，光解水析氫效率可達6mmol/h·g，已經(jīng)實現(xiàn)了每立方米容器光解水制氫產(chǎn)率10m3/h，預(yù)計在攀枝花的制氫生產(chǎn)成本約為12元/kg。
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