光致热催化:用太阳光驱动工业催化 李亚光 河北大学，物理科学与技术学院

背景介绍

           太阳能的利用目前以光伏发电为主，由于受天气、环境温度等因素影响，光伏发电的输出功率具有不稳定的问题，会对电网产生影响。除了光伏发电，太阳能的光热利用是另一个方式。化工产业需要很多的催化反应，而催化反应需要热能驱动，消耗了大量的化石能源和电能。所以，利用太阳光提供热能，进行光驱动的热催化，可以节省巨量的化石能源、电能，为碳减排做出贡献，还能将太阳能存储于化学品中。由于化学品是凝聚态物质，利于储存和运输，所以光驱动热催化可以解决太阳能的存储问题。目前光热催化是将催化剂直接在太阳光下辐照，而催化剂在自然光辐照下的温度普遍低于70 ℃，温度过低，不能驱动化工的催化反应。目前的光热催化采用辅助加热或者增加光辐照强度（目前的报道中至少需要10倍标准太阳光密度的光源辐照）来提升催化剂温度至200 ℃量级，但是这两种措施都会造成巨大的成本负担和能源消耗，使得光驱动热催化不能进行实际应用。所以，利用低密度的室外太阳光去驱动高效热催化是现实需求。

工作介绍

新型光驱动热催化系统实现自然太阳光辐照下催化剂获得高温

          目前传统吸光材料在标准太阳光辐照下也只能获得70 °C量级的温度，温度过低，不能推动催化反应。我们认为吸光材料在弱光辐照下获得高温的关键是降低热耗散，同时分析发现热辐射是吸光材料热耗散的主要途径。我们提出利用选择性吸光材料吸收太阳光，该材料可以吸收95%的太阳光，热辐射仅为报道吸光材料的1/10，能够在标准太阳光辐照下产生300 °C的高温，是传统吸光材料的三倍以上，实   现了标准太阳光驱动下的催化反应。

                                                                   图1：本课题组新型光热装置的示意图（a），吸收光谱图（b），标准太阳光辐照下的装置红外图（c），装置在不同太阳光辐照下的温度图（d）。

应用实例

1.自然太阳光驱动热催化甲醇重整产氢

          热催化甲醇重整产氢需要天然气燃烧提供热源，每产生10 m³ 氢气需要消耗1 m³ 天然气。我们实验室批量化制备了高性能的二维Cu基催化剂，结合该光热转换装置，标准太阳光驱动的甲醇重整产氢速率为3845 L m^-2 h^-1。将该新型系统放大到工业规模运行，在冬季，由1000 m²的室外阳光驱动甲醇重整反应一天可产生2000 m³的氢气，相当于节省200 m³的天然气；在夏季，1000 m²的室外阳光驱动甲醇重整反应一天可产生4500 m³的氢气，相当于节省450 m³的天然气；为解决甲醇重整的高能耗问题提供了切实可行的途径。

                                                                                                                                            图2：本课题组新型光热装置的标准太阳光辐照甲醇重整产氢性能图。

                                                                                                                                                图3：本课题组新型光热装置的甲醇重整现场图和产氢性能图。

2. 自然太阳光驱动水煤气变换（WGS）反应

           WGS可直接将煤炭资源转换为氢能，对缓解我国当前的能源和环境危机有极大的助益。然而传统的WGS反应是热催化过程，在工业化应用中，高温的产生是巨大的能量消耗，这也是科研人员长期以来无法突破的瓶颈。本课题组利用选择性吸光原理构建了新型光热转换装置，在1个太阳光驱动的产氢速率为189.72 mmol g^-1 h^-1，相当于758.6 L m^-2 h^-1。将该新型WGS系统放大到工业规模运行，在春季的白天，由4.2 m²的室外太阳光驱动可产生6.60 m³的氢气，为解决水煤气变换领域的高能耗问题提供了切实可行的途径，同时也开辟可规模化、高效、稳定的工业WGS制氢新方向。

                                                                                                                                                图4：本课题组新型光热装置的现场图和产氢性能图。

3.自然太阳光驱动VOCs消除

           VOCs即挥发性有机物，是形成细颗粒物(PM2.5)、臭氧(O₃)等二次污染物的重要前体物，进而引发灰霾、光化学烟雾等大气环境问题。随着我国工业化和城市化的快速发展以及能源消费的持续增长，以PM2.5和O₃为特征的区域性复合型大气污染日益突出，区域内空气重污染现象大范围同时出现的频次日益增多，严重制约社会经济的可持续发展，威胁人民群众身体健康。为了根本解决PM2.5、O₃等污染问题，切实改善大气环境质量。国家应积极推进其关键前体物VOCs的污染防治工作。但是，目前VOCs污染消除需要大量能源，由于我们基于选择性光吸收原理构建的新型光热系统，在一个标准太阳光辐照下可产生250-300℃的高温，足够进行VOCs催化消除。我们还基于模板法开发了一系列新型催化剂。结果表明，在自然太阳光辐照下，新型光热系统和催化剂在CO氧化、NOx脱除、甲苯、氯苯催化燃烧等一系列VOCs消除方面显示出可以直接工业化的效率。该方式不仅在大气污染治理方面具有工业量级的效率，而且只需要太阳光提供能源，是下一代的大气环境污染处理装置。

                                                                                                                                                                图4：本课题组新型光热装置的CO消除性能图。

4.太阳光驱动二氧化碳和水转换为一氧化碳、甲烷等

          随着经济发展速度加快,工业生产排放的CO₂日益引起人们的关注,其所引起的“温室效应”和“臭氧空洞”影响着人类与自然的和谐相处。鉴于此种严峻的形势,习总书记提出了“碳达峰、碳中和”的3060目标。以太阳光为能源，以CO₂ 和H₂O 为原料，将CO₂转换为有用的含碳物质，如CO、CH₄等，是促进碳循环以实现可持续的碳中和社会的一种有前途的方式。本课题组在全世界首先制备出了太阳光驱动的，以CO₂ 和H₂O 为原料产生CO、CH₄的规模化设备。在示范化阶段，200平方米的系统能够在室外太阳光辐照下，平均一天产生高纯CO 11Nm³，即每天高纯CO产量为12公斤，年消耗CO₂能力为6.6吨，相当于一亩地的系统能够固定CO₂ 22吨/年。也能够一天产生CH₄ 3Nm³，即每天高纯CO产量为2公斤，年消耗CO₂能力为1.8吨，相当于一亩地的系统能够固定CO₂ 6吨/年。

另外，该系统可以利用工业副产氢气与CO₂反应生成CO、CH₄等，在200平方米的系统能够在室外太阳光辐照下，平均一天产生高纯CO 102 Nm³，或者产生CH₄ 45 Nm³，相当于一亩地的系统能够固定CO₂ 220吨/年（产CO）或者固定CO₂ 90吨/年（产CH₄）

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