杨仲卿：太阳能光催化还原CO2及分布式应用场景

编者按：“双碳”背景下，随着科技水平不断进步和能源行业快速发展，分布式能源已成为引领能源领域发展的重要趋势之一。第十九届中国分布式能源国际论坛”于2023年12月12日在重庆召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，

重庆大学能源与环境研究所副所长杨仲卿教授做了主题为《太阳能光催化还原CO2及分布式应用场景》的报告。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

杨仲卿：好，谢谢段主任的介绍。

各位专家、各位同事，大家下午好。我是来自重庆大学能源与动力工程学院，在开始之前我先简单介绍一下我们单位。

重庆大学于1929年成立，我们学院1937年成立，现在我们有四个专业，一个是能源与动力工程;新能源科学与工程;核工程核技术;储能科学工程。我们前三个专业都已经建成了国家一流本科专业，储能这个专业我们是一个新型工科专业，我们已经把它建成了一个国家级的平台，叫做储能国家产教融合平台。这是国家七个平台之一。

今天非常容幸有机会我们参加分布式能源的国际论坛，特别是我们今天这个论坛讲的是分布式能源的创新业态，我就想把我们创新的一些想法，还有一些我们研究的成果向各位专家做一个汇报，大家一起来交流。

我的题目是《太阳能光催化还原CO2及分布式应用场景》，我将从以下几个方面向各位做一个汇报。

第一，技术背景。今天上午大会很多专家都提到了，我们在碳达峰和碳中和，在双碳的背景下，我们在这个背景下如何来构建现代化的能源体系以及加快推进能源转型，是我们共同关注的一个问题。

在国家政策导向下，我们就有一个二氧化碳的补给和利用就是实现我们碳达峰当中的一个很重要的手段，我们叫CCUS。对于二氧化碳的补给和利用当然有很多的技术路径和技术的手段，它常规的方法从工艺编辑当中给它补给储存下来，经过压缩、运输和储存，最后来进行利用。在利用环节有很多的方式，包括地质储存、去油、生物利用、矿化，当然我们在工业当中应用是我们把二氧化碳，把温室气体做成我们更有价值的资源化利用的一个非常重要的方式。

我们的关注点就是怎么样把二氧化碳补给下来之后，还要把它变成我们有价值的能源。我们要想把二氧化碳还原，要想把它变成燃料，也有一些不同的方法和路径。比如说，我们用热催化的方法，当然它太耗能。我们用电催化的方法，我们要消耗电能。所以我们就提出来一种方法，叫做人工光合作用。这种光合作用它的能量全部来自于太阳能，从太阳能当中来获取能量，最后把我们二氧化碳和水把它变成我们所说的太阳能燃料。它的反应就是二氧化碳加水的过程，它是仿照着我们的光合作用整体过程。

最终，它会生成我们说的太阳能燃料的一氧化碳、甲烷，这是我们所需要的燃料。它需要的能量就来自于太阳光。

在光催化当中，我们国内外也有很多的学者做这个研究，但是目前来看存在一个问题，现在光催化的效率不太高。原因是什么呢?我们传统的光催化主要是针对我们可见的紫外的波段。我们本身的专业学的是能源动力，我们关注热能利用，我们把太阳能当中的全光谱利用起来。除了它的可见光，还有紫外光以外，还有红外的一部分。红外的一部分可以采用，热又促进我们光的催化，所以它是一个协同的效应。

我们采用这种方法以后，它可以克服我们传统的光催化当中只利用可见和紫外的部分，没有利用红外部分，所以它的产率会大大的得到提高。我们这个技术特点也是光的协同利用。

总体来看，它的第一个特点就是刚才讲的人的光合作用来制备碳氢燃料。

另外一个，就是太阳光谱全部的替剂利用。它有红外、紫外、可见光都有，它同时也是我们把太阳能变化的能源变成了我们可储存的化石能源的一个过程，它是实现了太阳能储能的技术。当然，这个技术里面听起来很好，但是实际上有很多的问题需要解决。比如说，它里面存在着传输距离大，电子的传输距离大，另外太阳光的吸收效率低，还有电子跨界面传输困难以及热值强化存在困难等等问题。这个地方我们都逐一对它进行了一个解决。解决了以后，我们就形成了一个光热协同催化还原二氧化碳的提供方法，这个方法能够实现我们二氧化碳的一个高效的转化。

接下来，还有一个技术应用。既然它可以把二氧化碳利用，我们就结合到太阳光的本身特点，能不能就把它做成一些不同应用场景。比如说，模块化的太阳能板式的二氧化碳还原装置，一会儿我们会向大家做详细的汇报。这样它可以实现一个分布式灵活的布置。另外，它除了光以外，还可以把我们的风结合到一起，风光耦合来实现太阳能的转化。另外，第三个方面，它是不是可以把我们在工业当中的一些余热、余压利用起来，把它做成一个工业余压共同来做光协同催化的一个方案。

我向各位专家汇报的第二部分，研究成果和进展，怎么样把刚才提到的问题解决的。

第一个，我们解决了什么呢?光激发出来以后，我们要尽快的把让它传输到二氧化碳反应的位点上去，这个地方我们就构建了碳氢包厚度的原子薄的木穿壁(音)，作为它的碳氢燃料。这个厚度只有1.76个纳米，我们通过这样一个非常薄的材料，它就可以实现光激发以后很快就到了我们二氧化碳被吸附的活性物检上去，把二氧化碳还原了。

第二个方面，我们要实现全光谱的利用，它需要把我们的光尽量的给吸收。我们就从黑蝴蝶上面得到的启发，大家看到这个黑蝴蝶为什么黑呢?实际上光进来以后，没有任何的反射，全部被吸收了。我们就从这上面得到了一个启发，做成仿生的矩阵列。光进来以后，我们沿着这个光的通道，所有的把光全吸收下来，它就可以有很高的光的一个利用的效率。

经过这样的设计以后，我们就达到了与国际水平还要高。

另外，我们在这个基础之上又构建了渐变电子桥。我们把它一些活化的中心把它放在了一个很微观的纳米岛上，通过这样的构建，我们抑制它的电子在这个岛内进行传输，也是防止它的载流子来进行复合。有了这个方法以后，在我们之前的基础之上，进一步又提高了它的效率。

为了提高它的转化的强度，还有一个方法策略，就是仿真植物根茎。因为这个过程它反映到二氧化碳和水，因为我们这个专业里面也是搞传质这方面的研究，所以我们就把它传质的过程进一步的来进行强化。我们就用石墨硒的气凝胶漂浮在叶面上面，使光热水蒸发与二氧化碳能够尽快的接触，使它的气态形式能够精准的传输到它的活性物检上去，提高它的活性能力。这样的话，产率已经达到了国际的顶尖水平。这是我们从微观结构上的研究。

经过上面的研究之后，我们就形成了我们光热协同催化还原二氧化碳调控的方法。

接下来，我们想要把这个技术和方法应用到我们实际的工作当中去。第一个，我们构象就是用太阳能板式做一个全太阳光谱的C02协同二氧化碳的还原应用装置。它就有点像我们的一个太阳能的光伏的单元，非常的类似，做到板式的C02协同催化二氧化碳的装置。还可以有一个立体的接收面，在地面上我们可以有一定的清剿，可以减少它的占地面积。

另外，有一些感光的单元。二氧化碳我们就可以从它的通道里面，我们这里有通道，从通道里面流进去，和我们的催化进行反应。在光照的条件下出去以后，就并成了我们所需要的一个太阳能燃料。这样就做一个最小的单元，就有很好的可扩展性。

我们一个单元，单个太阳能板，我们的设计它的吸收效率应该在90%以上，甲烷和碳金燃料的产率一个单元可以80升每天，甲烷的选择性可以到90%以上。

这个效率怎么样呢?我们就把技术和我们常规的，比如说有电催化还原二氧化碳作了一个比较。所以我们电催化还原二氧化碳，我们这个电来自于可再生资源，所以它是一个串联的方式。我们本身直接太阳光来还原二氧化碳，我们就作了一个比较。在效率上面也是有一定的优势，这是第一种应用的场景。

比如说，它可以应用在一些中小型的工厂和企业，有一百个平米左右园区的空地和投资地，但是投资的周期可能比较长，在15年左右。它产生的燃料可以用于，比如说我们固然，代替一些点火燃料等等，它的特点是适用于小规模的一些应用，结构比较简单，成本低，可以灵活拆分和组装。

第二种方式，在我们这个技术之上，还可以加一些风光互补。这是一个风光互补的装置，中间是太阳能光照，通过它这个窗口。外面我们加了一个什么呢?它通过风力的转动，它可以产生一个磁场。这个像叶片一样的，叶片在风的作用下可以带动它的旋转，旋转它就可以通过切割的形式产生磁场。这个磁场对我们的光催化又是一个很好的强化作用，我们就可以把它做成风光互补的这么一种形式。又把它的应用场景进一步的拓展，它的一个单个的装置我们也可以做到10个左右，最大的高度可以大15米左右。

在标准的太阳光下，单个的风光互补的太阳能光催化还原二氧化碳装置，它的吸收率，太阳能的利用率可以到90%，产燃料一天可以到1800升，效率是8%到12%，因为这个地方加了风能，所以效率进一步的提升。甲烷的转化率可以达到90%以上。

我们应用的场景就包括风光条件比较好的，像工厂的一些设备的顶部都可以做风光互补的装置，它产生的甲烷和燃料都可以作为补燃的替代燃料，它的投资回收期就会比较短，大概在五年左右。适用规模是集中式、中小型、户外风光的储能应用，可以建立新型能源岛的形式，我们来比较它的效率。

本身它可以做成一个串联的形式，单个可以做10个平方左右，它可以做成一个串联的形式。

第三个方面，我们基于工业和余热、余压。在工厂的生产当中会有很多的余热和余压，温度不是特别高，可能一两百度，压力可能也不太高，这种场合实际上就可以应用到光催化二氧化碳还原当中来，因为二氧化碳需要水反应，如果我们有一个水蒸气，作为代压的一个反应条件，会进一步的来促进它的反应的效果。我们设计的场景就是把燃气中提纯的二氧化碳，把它和废蒸汽运用到余热、余压反应当中，就来进行反应。可以利用我们工业废气当中的温度和压力，这样的话，同样它的单个反应器可以做到10个左右，高度可以在3米左右。

另外，太阳光也可以聚光，可以产生一些高温和高压的水蒸气。所以它的吸收率90%，甲烷的产率每天可以到6700升左右，效率15%到20%，所以这个效率可能就提高的比较多。这个地方就可以用到余热、余压的一些工厂，实现一些中型和大型的工厂里面，它的废气、废热结合起来应用。

现在这个技术在国内外的情况怎么样呢?我们来看一下，国外现在有一家，苏黎士联邦理工首次用了空气中的二氧化碳来合成煤油的装置。这个二氧化碳来自于空气中的二氧化碳来补给，补给完之后用二氧化碳催化剂把它变成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气进一步的去反应，去做了航空煤油，所以它的链条比较长，每天可以产2000升左右，它的效率是10%到20%。它也是在去年发表在了期刊上面。

目前来看，我们国家还没有做这样的一个示范，所以我们就分析了一下，我们技术里面还是有一定的优势。国外它先转化成合成器，然后再进行高速化转化，链条是比较长，我们这个就可以直接来进行转化，成本也比较低，规模也是可以灵活的，规模可大可小，有这样的一个优势。

向大家汇报一下，我们的光催化还原二氧化碳。当然我们做分布式应用场景，还没有具体的案例，我们现在做了一些前沿的探索，如果大家有兴趣，我们可以一起来共同的推进一下，我们把一些新的研究成果能尽快的落地。谢谢。