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为实现大面积化、低成本而开发的新型光催化板式反应器(在1mm水深的反应器里实现水分解)

日本新能源产业技术综合开发机构(简称:NEDO)、人工光合成化学过程技术研究组合( ARPChem )和东京大学、TOTO(株)、三菱化学(株)一同为使人工光合成系统面向社会实用化,实现大面积化和低价格化而成功开发出新式光催化板反应器。

该款反应器可使涂在基板上的光催化剂薄膜仅在1mm深的水里安定地将水分解,和以往的反应器相比可以大幅减少用水量,使利用轻量且便宜的材料进行制作成为可能。另外,研究人员试做了1m^2大小的大型光催化板反应器,验证了其在自然太阳光下可将水能分解为氢气和氧气。这项成果对光催化板反应器的实用化具有划时代的意义。此研究成果已于2018年1月17日刊登在美国科学杂志《Joule》的在线速报版上。

至今为止在实验室范围内对水进行分解的研究有:用溶有粉末状光催化剂溶的悬浊状水溶液方式、直接将粉末固定于光催化剂薄片上的方式和用光半导体设备的方式等。在这些方式下,作为分解水的反应器需要把光催化剂薄片浸入装有很多水的小型瓶型反应器中用水搅拌;或者利用太阳能电池通过电压帮助水分解,再利用水使溶液强制对流。因此想要实现大面积化和实用化,必须设计能存放大容量水的高强度反应器,这需要高强度的玻璃或树脂材料。但是用这些材料进行大面积且廉价的设计是十分困难的。

图 小型光催化板反应器(86mm×106mm)

图 小型光催化板反应器(86mm×106mm)

图在含紫外光照射下的光催化片的面板反应器中的产氢量

图在含紫外光照射下的光催化片的面板反应器中的产氢量

亲/疏水处理时气泡的状态

/疏水处理时气泡的状态

图 大型光催化反应器的面板结构

 大型光催化反应器的面板结构

图 大型光催化板式反应器的外观

 大型光催化板式反应器的外观

本次研究中,将具有水分解反应活性的钛酸锶光催化剂粉末涂抹在玻璃基板上,设计开发出了一种水深很浅且不需要强制对流的新型水分解用光催化板反应器(见图)。具体构造为:在反应器中装备50mm见方的钛酸锶光催化剂薄片,薄片的上方受到紫外光照射的为透明石英窗,其间供水深度仅为数毫米。尽管这里使用的钛酸锶光催化剂只能利用阳光中的紫外线进行水分解,但是具有可以仅用一种光催化剂进行水分解的优良特性。 因此,可以通过涂布在基材上来简单地实现光催化板的功能。

通过测量紫外光照射到反应器时产生的氢气和氧气量,观测到在水深5mm和1mm之间没有显著差异。另外,当水深为1mm时,通过增加紫外光强度,发现可以毫无困难地将10%的太阳能进行转换,产生3.7ml(cm^2/小时)的氢气。同时发现当选用亲水性窗口材料时,可以有效地防止因微小气泡连续流动而产生的气泡积聚现象。本研究还试做了1m^2大小的大型催化板反应器,验证了在自然太阳光下水能分解为氢气和氧气的太阳能转化率为0.4%。

此研究的目标是到2021年底实现10%的太阳能转换效率。同时,进一步开发更大面积的光催化板和气体分离技术的一体化是实现应用的关键。

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文章来源:http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100899.html