羅景山:光電催化合成燃料和化學品助力碳中和

2021-01-13 電子發燒友
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羅景山：光電催化合成燃料和化學品助力碳中和

DeepTech深科技 發表於 2021-01-12 10:45:51

 

2020 年 12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評論》主辦的全球青年科技領袖峰會暨《麻省理工科技評論》中國 「35 歲以下科技創新 35 人」 頒獎典禮在紹興上虞舉行。「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國榜單正式發布。

會上，南開大學電子信息與光學工程學院教授、博士生導師羅景山發表了以《光電催化合成燃料和化學品助力碳中和》為主題的演講，以下為經過整理後的演講實錄：

圖｜羅景山教授

2015 年，在巴黎召開的第二十一屆聯合國氣候變化大會通過了《巴黎協定》，為控制全球氣溫而努力。

2020 年 9 月份，國家主席習近平在聯合國大會上發表重要講話，提出爭取在 2060 年前實現碳中和。羅景山在演講中說：「碳中和能源技術是世界科技研究的前沿，對標的是經濟主戰場，同時也是我們國家的重大需求。」

綠水青山就是金山銀山。碳中和對於改善環境，實現綠色發展至關重要。「碳中和，顧名思義就是二氧化碳的排放總量和減少的二氧化碳總量相當。」 羅景山解釋道，「實現碳中和的方式有很多，最直接的是從利用化石能源過渡到使用清潔可再生能源。」

據國際能源署統計，2016 年煤炭在我國發電能源中佔比接近 60%。「如果要在 2060 年實現碳中合，我們必須削減煤炭的用量，預計在 2040 年實現把煤炭的用量減少到 30%。但到 2040 年，我們消耗的能量會更多，這時候我們需要開發更多的清潔可再生能源來補足這部分能量的需求。」 羅景山說。

「太陽照射地球一個小時，產生的能量足夠我們全人類用一整年。」 羅景山的研究主要與太陽能轉換相關。在過去幾年，他的團隊重點開發高效光電材料和器件。他介紹說：「我們現在用的光伏電池本身沒有存儲功能，如果想大規模利用光伏，需要解決存儲問題。存儲太陽能的手段有很多，綠色植物可以吸收太陽光，把水和二氧化碳轉變成葡萄糖，以燃料的形式存儲起來。我們可以模擬這一過程，進行人工光合作用，利用太陽能把水和二氧化碳轉變成我們所需要的清潔燃料和化學品。」

太陽能轉換主要分為光解水制氫和二氧化碳還原兩種，羅景山的研究聚焦於這兩個方面。他在演講中介紹了他的工作：「首先我們做出高效、低成本的光電極材料，其次開發高效低成本的電催化劑材料，最後把兩者高效耦合，構築成高效的器件。」

在光解水制氫方面，他的團隊開發了兩種半導體材料，一種是光陽極，另外一種是光陰極。當用導線把這兩種材料連接一起置於水中，在光的照射下，水就可以自動的分解成氫氣和氧氣；此外，他的團隊用光伏電池和電催化劑耦合的方式實現了高效太陽能光解水制氫。「目前這個效率可以做到接近 20%，但是由於成本以及穩定性等原因還需要進一步開發才能進行商業化應用。」

儘管如此，團隊開發的光解水制氫材料和器件仍有極其廣闊的應用前景。目前，國家在大力推行氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車具有獨特優勢，首先它可以在三分鐘之內實現氫氣的加注，而鋰電池汽車需要充電 30 分鐘甚至更長的時間。「對於工業運輸用的卡車來說，氫燃料電池汽車更具優勢。」 羅景山補充道，「氫的能量密度遠高於鋰離子電池，一公斤的氫氣可以驅動汽車行駛大概 120 公裡左右。」

太陽能轉換另一個重要方向是二氧化碳還原。他介紹說：「除了進行光解水制氫之外，我們也可以利用太陽能把二氧化碳還原，去合成我們所需要的燃料和化學品，比如說甲烷、甲醇、乙烯、乙醇等。」 羅景山團隊開發了一種由氧化錫、氧化銅組成的廉價催化劑，可以將二氧化碳高效、高選擇性還原合成一氧化碳，選擇性高達 90%。他們還研發了一個太陽能驅動的二氧化碳還原全器件，可以直接使用太陽能實現二氧化碳到一氧化碳的高效轉化。「除了還原二氧化碳生成一氧化碳以外，我們還可以生成乙醇、乙烯等化學品。我們用銅銀複合催化劑，可以把二氧化碳高效還原合成乙烯，選擇性高達 60%。」 他補充說。

儘管團隊實現了較高的選擇性，但離實際應用仍有一定距離。「我們在進一步研究，希望將來可以接近 90%，甚至 100% 的選擇性，並進一步提升能量轉換效率，利用二氧化碳合成我們所需要的燃料和化學品。」 羅景山說。

羅景山對團隊的研究前景充滿信心。在演講的最後，他展望道：「將來如果太陽燃料研究成功，我們可以利用太陽能，把水、二氧化碳轉變成我們需要的燃料和化學品，去替代現在所用的化石燃料。」

-End-

 

原文標題：南開大學羅景山：光電催化合成燃料和化學品助力碳中和，實現綠色發展

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責任編輯：haq

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