第一情报 ---材料工业

国内外人工树叶技术发展动态

供稿人:冯海玮  供稿时间:2019-5-30   关键字:人工树叶  

光合作用植物获取生长所需能量的主要途径研究发现植物存在两套光合反应系统:光系统Ⅰ和光系统II。光系统Ⅰ主要负责吸收二氧化碳,生成植物生长需要的碳水化合物。光系统II负责吸收太阳光,并将水分解为氧气,同时产生质子和电子产生的电子和质子将会参与到光系统二氧化碳的固定反应,进而生成淀粉及糖类有机物用于植物生长。据估算,地球上95%的氧气来源于光系统II过程。 

人工树叶核心便是模仿植物光合作用,一种途径是通过添加化学催化材料,在一定电压下将水高效电解为氧气,同时产生质子和电子产生的质子与电子可以结合,生成氢气;另一种途径是利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物类生物质燃料的过程上述过程中所需的电力,将由内置太阳能电池供给。 

准确来讲,人工树叶并非一种新型能源获取方式,其本质是一种高效的储存能源的方法。例如常规超级电容器能量密度仅为约0.01 MJ/kg,常规蓄电池的能量密度上限可达0.1-0.5 MJ/kg,而氢气能量密度却高达140 MJ/kg,即同样质量的氢气储能电池的1400倍,是超级电容器的14000倍。此外,该过程还将二氧化碳通过类似于光合作用的方式转化成各类有机物,如糖、醇类等,实现了能源的可持续生成。最重要的是整个过程消耗的仅仅是太阳能和水 

一、技术的发展现状 

二氧化碳是当前温室效应的主要来源之一,如何有效地捕集、处理二氧化碳成为全球关注的焦点。自然界树叶的光合作用,直接利用光能把二氧化碳和水分子固定为碳水化合物,为科学家提供了一个很好的思路。现阶段,二氧化碳高选择性还原仍是最主要的技术瓶颈。这是因为绝大部分的催化剂更愿意选择把质子直接还原成氢气分子,而不是将其注入二氧化碳分子进行还原。此外,常规催化剂成本限制其后续产业应用。了寻找镍、铁、钴和铈氧化物催化水光解产生氧气的最佳组合,美国人工光合作用联合研究中心(JCAP)专门筹建了高通量筛选实验室通过在改造过的喷墨打印机的玻璃片上打印出各种不同的合金斑点(每天可以生产100万种由不同组分构成的合金斑点),以测试其催化活性和吸光性质。而研究人员利用上述玻璃片作为微型化学实验室,筛选了近5500种组合并考察了其稳定性和功能性。结果显示,最好的组合往往不是该反应中最有效的催化剂,它还需要是透明的、能够让光通过吸收器,同时还得与其他部分元件的材料相互兼容。 

二、技术的竞争态势 

开发能够高效固定二氧化碳的廉价(光)电催化剂,成为当前科学家们聚焦的热点在该技术领域,哈佛大学走在了世界的前列,国内机构如上海交通大学亦曾涉足,但是就技术成熟度而言较国外存在较大差距。 

2015年,美国哈佛大学艺术与科学学院、哈佛医学院和威斯生物工程研究所创造出一种利用细菌将太阳能转化为液体燃料的人造树叶系统。该系统主要原理是通过催化剂使阳光将水分解为氢气和氧气,设计一种细菌将二氧化碳加氢转化为液体燃料异丙醇。该研究结果发表在美国《国家科学院学报》(PANS)上。当前该团队正在通过优化催化剂和细菌,提高仿生叶片转换太阳能为生物质的能力。 

2016年,哈佛大学能源科学教授丹尼尔·诺塞拉团队设计了一种能将太阳光、二氧化碳和水转化为液体燃料的系统。在使用纯二氧化碳的条件下,该系统的转化效率可达到10%,即能够捕捉十分之一的太阳能并将二氧化碳转化为燃料,远高于自然界植物的光合作用的效率(1%),这项研究成果有望成为人工光合作用未来取代化石燃料的重要标志值得注意的是,该研究小组采用相对廉价的钴、镍等金属化合物以及磷酸盐作为电极催化材料,不仅催化效率远高于传统材料,而且寿命更长、更稳定,成本大幅降低。 

2017年度,哈佛大学罗兰研究所与斯坦福大学团队合作,构建了一套由廉价金属镍和钴等材料组成的人工叶片系统。在模拟自然光照的条件下,以锂离子电化学调控的氧化钴催化剂将水分子氧化,释放出氧气和质子;与此同时,完全分散镍单原子催化剂物理化学性呈现出巨大变化,能够高效地将质子注入二氧化碳分子中,得到一氧化碳还原产物,对二氧化碳还原的选择性从零跃升至93.2%,催化效果可与金、银等贵重金属催化剂媲美。整个过程太阳能转化率达到12.7%,是自然界叶片转化效率的30倍以上相关成果发表在《细胞》杂志旗下《Chem》期刊上。 

中国科学家也曾开展人工树叶”研发早在2010年,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的科学家们将人工树叶的技术发布在该年度美国科学学会上。团队中国特有的植物打碗碗花启发,先找到自然叶子收获阳光的结构,再研制一种在功能上替代这种结构的化学物,为这片叶子贴上了中国制造的标签。遗憾的是,成果受限于造价太昂贵不稳定易锈蚀,尚未能进入实用领域。 

三、技术的产业化前景 

尽管“人工树叶”领域研究成果捷报频传,客观而言该技术的产业化应用仍存在较大的局限性。首先,人工树叶”尚未真正实现自然界早已运行上亿年的树叶的全部功能,它仅仅模仿了树叶中光系统II中的局部功能。其次,太阳能电池在该过程的转化效率仍无法满足产业化需求最后目前仍未发现成本低廉且能够高效固定二氧化碳的催化剂,在碳捕获效率方面仍有待继续提升。因此,要把这一发明真正规模化应用还有很长的路要走


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