背景介紹

           太陽能的利用目前以光伏發電為主，由于受天氣、環境溫度等因素影響，光伏發電的輸出功率具有不穩定的問題，會對電網產生影響。除了光伏發電，太陽能的光熱利用是另一個方式。化工產業需要很多的催化反應，而催化反應需要熱能驅動，消耗了大量的化石能源和電能。所以，利用太陽光提供熱能，進行光驅動的熱催化，可以節省巨量的化石能源、電能，為碳減排做出貢獻，還能將太陽能存儲于化學品中。由于化學品是凝聚態物質，利于儲存和運輸，所以光驅動熱催化可以解決太陽能的存儲問題。目前光熱催化是將催化劑直接在太陽光下輻照，而催化劑在自然光輻照下的溫度普遍低于70 ℃，溫度過低，不能驅動化工的催化反應。目前的光熱催化采用輔助加熱或者增加光輻照強度（目前的報道中至少需要10倍標準太陽光密度的光源輻照）來提升催化劑溫度至200 ℃量級，但是這兩種措施都會造成巨大的成本負擔和能源消耗，使得光驅動熱催化不能進行實際應用。所以，利用低密度的室外太陽光去驅動高效熱催化是現實需求。

工作介紹

新型光驅動熱催化系統實現自然太陽光輻照下催化劑獲得高溫

          目前傳統吸光材料在標準太陽光輻照下也只能獲得70 °C量級的溫度，溫度過低，不能推動催化反應。我們認為吸光材料在弱光輻照下獲得高溫的關鍵是降低熱耗散，同時分析發現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光，該材料可以吸收95%的太陽光，熱輻射僅為報道吸光材料的1/10，能夠在標準太陽光輻照下產生300 °C的高溫，是傳統吸光材料的三倍以上，實   現了標準太陽光驅動下的催化反應。

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

應用實例

1.自然太陽光驅動熱催化甲醇重整產氫

          熱催化甲醇重整產氫需要天然氣燃燒提供熱源，每產生10 m³ 氫氣需要消耗1 m³ 天然氣。我們實驗室批量化制備了高性能的二維Cu基催化劑，結合該光熱轉換裝置，標準太陽光驅動的甲醇重整產氫速率為3845 L m^-2 h^-1。將該新型系統放大到工業規模運行，在冬季，由1000 m²的室外陽光驅動甲醇重整反應一天可產生2000 m³的氫氣，相當于節省200 m³的天然氣；在夏季，1000 m²的室外陽光驅動甲醇重整反應一天可產生4500 m³的氫氣，相當于節省450 m³的天然氣；為解決甲醇重整的高能耗問題提供了切實可行的途徑。

                                                                                                                                            圖2：本課題組新型光熱裝置的標準太陽光輻照甲醇重整產氫性能圖。

                                                                                                                                                圖3：本課題組新型光熱裝置的甲醇重整現場圖和產氫性能圖。

2. 自然太陽光驅動水煤氣變換（WGS）反應

           WGS可直接將煤炭資源轉換為氫能，對緩解我國當前的能源和環境危機有極大的助益。然而傳統的WGS反應是熱催化過程，在工業化應用中，高溫的產生是巨大的能量消耗，這也是科研人員長期以來無法突破的瓶頸。本課題組利用選擇性吸光原理構建了新型光熱轉換裝置，在1個太陽光驅動的產氫速率為189.72 mmol g^-1 h^-1，相當于758.6 L m^-2 h^-1。將該新型WGS系統放大到工業規模運行，在春季的白天，由4.2 m²的室外太陽光驅動可產生6.60 m³的氫氣，為解決水煤氣變換領域的高能耗問題提供了切實可行的途徑，同時也開辟可規模化、高效、穩定的工業WGS制氫新方向。

                                                                                                                                                圖4：本課題組新型光熱裝置的現場圖和產氫性能圖。

3.自然太陽光驅動VOCs消除

           VOCs即揮發性有機物，是形成細顆粒物(PM2.5)、臭氧(O₃)等二次污染物的重要前體物，進而引發灰霾、光化學煙霧等大氣環境問題。隨著我國工業化和城市化的快速發展以及能源消費的持續增長，以PM2.5和O₃為特征的區域性復合型大氣污染日益突出，區域內空氣重污染現象大范圍同時出現的頻次日益增多，嚴重制約社會經濟的可持續發展，威脅人民群眾身體健康。為了根本解決PM2.5、O₃等污染問題，切實改善大氣環境質量。國家應積極推進其關鍵前體物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建的新型光熱系統，在一個標準太陽光輻照下可產生250-300℃的高溫，足夠進行VOCs催化消除。我們還基于模板法開發了一系列新型催化劑。結果表明，在自然太陽光輻照下，新型光熱系統和催化劑在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化的效率。該方式不僅在大氣污染治理方面具有工業量級的效率，而且只需要太陽光提供能源，是下一代的大氣環境污染處理裝置。

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

4.太陽光驅動二氧化碳和水轉換為一氧化碳、甲烷等

          隨著經濟發展速度加快,工業生產排放的CO₂日益引起人們的關注,其所引起的“溫室效應”和“臭氧空洞”影響著人類與自然的和諧相處。鑒于此種嚴峻的形勢,習總書記提出了“碳達峰、碳中和”的3060目標。以太陽光為能源，以CO₂ 和H₂O 為原料，將CO₂轉換為有用的含碳物質，如CO、CH₄等，是促進碳循環以實現可持續的碳中和社會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光驅動的，以CO₂ 和H₂O 為原料產生CO、CH₄的規模化設備。在示范化階段，200平方米的系統能夠在室外太陽光輻照下，平均一天產生高純CO 11Nm³，即每天高純CO產量為12公斤，年消耗CO₂能力為6.6噸，相當于一畝地的系統能夠固定CO₂ 22噸/年。也能夠一天產生CH₄ 3Nm³，即每天高純CO產量為2公斤，年消耗CO₂能力為1.8噸，相當于一畝地的系統能夠固定CO₂ 6噸/年。

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

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