近日，日本電信服務(wù)巨頭NTT公司發(fā)表了一項(xiàng)新成果，將使用太陽(yáng)能的半導(dǎo)體光觸媒和能夠還原二氧化碳（CO2）的金屬觸媒作為電極組合，制作出了一種可以進(jìn)行人工光合作用的Device（半導(dǎo)體器件）。該器件實(shí)現(xiàn)了連續(xù)350小時(shí)的碳吸收，累計(jì)吸收下來(lái)的碳排量超過(guò)了1棵杉樹(shù)同單位面積1年吸收的碳排放量。
此次成果應(yīng)用到的技術(shù)預(yù)計(jì)將于2023年11月14日至17日舉辦的“NTT R&D FORUM 2023 - IOWN ACCELERATION”論壇上展示。
NTT展示的碳中和與人工光合作用的開(kāi)發(fā)研究概要圖(出自:NTT官網(wǎng))
人工光合作用，是一種利用半導(dǎo)體和觸媒等無(wú)機(jī)物，將已經(jīng)排入（或者將要排入）大氣中的CO2轉(zhuǎn)換成一氧化碳（CO）和甲酸（HCOOH）等可用物質(zhì)進(jìn)行吸收的技術(shù)。當(dāng)前全世界都在火熱研究該技術(shù)，但是目前連續(xù)轉(zhuǎn)換CO2的試驗(yàn)時(shí)間始終停留在幾小時(shí)至十幾小時(shí)的水平上，迫切需要開(kāi)發(fā)一種用于延長(zhǎng)該時(shí)間的抗降解技術(shù)。
其中NTT公司研究開(kāi)發(fā)的人工光合作用器件，就是由使用半導(dǎo)體光觸媒的氧化電極和使用金屬觸媒的還原電極構(gòu)成的。要想將其實(shí)際應(yīng)用，還需要抑制腐蝕造成的降解反應(yīng)、設(shè)計(jì)出能長(zhǎng)時(shí)間耐化學(xué)反應(yīng)的長(zhǎng)壽電極等課題。
此外，在人工光合作用轉(zhuǎn)換CO2技術(shù)中，廣泛采用的是將水溶液中溶存的CO2還原成CO和HCOOH的方法，但水溶液中能夠溶解的CO2的量是有限的，而且很容易出現(xiàn)副反應(yīng)。因此，需要一種能夠選擇性轉(zhuǎn)換CO2的電極構(gòu)造和器件設(shè)計(jì)。
于是，NTT團(tuán)隊(duì)為了實(shí)現(xiàn)更高效地長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)進(jìn)行氣相CO2轉(zhuǎn)換的人工光合作用，就設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了這種，壽命長(zhǎng)的半導(dǎo)體光觸媒電極、與電解質(zhì)膜一體化的纖維狀金屬觸媒電極，共同組成的人工光合作用Device。以達(dá)到能夠利用太陽(yáng)能和高效率轉(zhuǎn)換CO2的目的。
人工光合作用Device的概要圖(出自:NTT官網(wǎng))
該技術(shù)的要點(diǎn)主要有以下2點(diǎn)。
1. 半導(dǎo)體光觸媒電極的降解反應(yīng)抑制技術(shù)
2. 氣相CO2的轉(zhuǎn)換技術(shù)
研發(fā)團(tuán)隊(duì)稱，半導(dǎo)體光觸媒電極的反應(yīng)衰退抑制技術(shù)的課題，就是在使用氮化鎵（GaN）系電極做為半導(dǎo)體光觸媒時(shí)，如何抑制GaN表面與水溶液的界面處產(chǎn)生的降解反應(yīng)。最終通過(guò)將GaN表面進(jìn)行平滑處理，形成一層可以充分透光的厚度2nm的均勻氧化鎳（NiO）保護(hù)層，成功防止了GaN與水溶液的接觸，大幅控制住了電極的降解。
另一方面，在氣相CO2轉(zhuǎn)換方面，將水溶液中溶存的CO2進(jìn)行轉(zhuǎn)換的金屬電極以往都是板狀結(jié)構(gòu)為主流。不過(guò)這次為了轉(zhuǎn)換氣相CO2，他們想出了一種一體化的電極構(gòu)造，該構(gòu)造有具備CO2擴(kuò)散性高的纖維狀金屬、能將CO2置換反應(yīng)所需要的質(zhì)子（氫離子）供給到反應(yīng)區(qū)。這樣不用使電極浸泡水溶液中就可以供給CO2置換反應(yīng)所需的質(zhì)子到反應(yīng)區(qū)，氣相CO2的直接轉(zhuǎn)換就成為了可能。通過(guò)這些電極構(gòu)造上的改變，使CO2的轉(zhuǎn)換效率比以往提高了10倍以上。
據(jù)稱，他們使用模擬陽(yáng)光照射這種人工光合作用Device進(jìn)行了氣相CO2轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，結(jié)果確認(rèn)連續(xù)350小時(shí)里CO2轉(zhuǎn)換成了CO和HCOOH。根據(jù)生成的CO和HCOOH算出每單位面積的累計(jì)碳吸收量達(dá)到了420g/m2，創(chuàng)造了使用半導(dǎo)體光觸媒進(jìn)行人工光合作用連續(xù)運(yùn)作350小時(shí)的世界最長(zhǎng)紀(jì)錄。NTT還表示，此次驗(yàn)證的碳吸收量，超過(guò)了1棵杉樹(shù)1㎡約1年所吸收的碳排量。
光照時(shí)間與碳吸收量的變化(出自:NTT官網(wǎng))
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，還會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)效率更高、使用壽命更長(zhǎng)的電極。在這類技術(shù)不斷的推動(dòng)下，人類逐漸朝碳中和走去。
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