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项目概要
日本国家研究开发法人新能源产业技术开发机构(NEDO)在二氧化碳原料制造工艺技术开发(人工光合作用项目)中，利用太阳能和光催化剂，致力于开发太阳能氢气和二氧化碳为原料的基础化学品(C2-C4烯烃)生产过程的基础技术。该项目包括三个研发主题，是有助于减少二氧化碳排放的创新技术发展之一。
NEDO和人工光合化学工艺技术研究协会(ARPChem)目前正在东京大学、富士胶片株式会社、TOTO株式会社、三菱化学株式会社等机构致力于人工光合系统的社会实施。
具体来说，该技术设计并开发了一种光触媒面板反应器，该反应器的结构是产生的混合气泡可以顺畅地移动，即使着火也不会爆炸，通过连接它们，可以创建100平方米的光触媒面板反应器。它即使在室外环境中，混合气体也会持续产生一年左右。此外，光催化板反应系统的气体分离模块能够从混合气体中分离出高纯度的太阳能氢气。经过证明，无论日照条件如何，都可以适当地控制气体流量，从而可以保持稳定的气体分离性能，并且可以在不损害其功能的情况下在室外运行数月。此外，通过合理设计光催化反应体系，在室外试验过程中没有发生自燃或爆炸。
这项研究的结果于英国时间2021年8月25日星期三发表在了英国科学期刊《自然》的新闻版上。
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人工光合作用的三个过程
(1)利用阳光和光触媒将水分解成氢气和氧气
“光触媒”在将水分解成氢气和氧气的过程中起着重要的作用。当一片浸在水中的催化剂暴露在光线下时，它会在没有电的情况下将水分解成氢气和氧气。由于它利用太阳能，因此在生产阶段不会产生二氧化碳。在人工光合作用中，“能量转换效率”，即太阳能生产氢气的效率非常重要。安装光伏发电面板等光触媒时，预计可大幅降低成本，与已实现7%转换效率的串联型一起，进一步推进技术开发。在实施人工光合作用方面，该项目的光催化剂作为世界领先技术备受瞩目。
(2)使用分离膜从产生的氢气和氧气的混合气体中分离氢气。
由于氢气和氧气的混合气体容易发生爆炸，因此在社会实施中安全高效地分离氢气和氧气非常重要。在项目中，不仅要开发高性能的“分离膜”(从混合气体中分离氢气)，还要开发高度安全的分离模块。
(3)采用催化技术，使氢气和二氧化碳反应生成烯烃。
“合成催化剂”对于通过分离出的氢气与二氧化碳反应来生产烯烃是重要的，烯烃是塑料等的原料。人工光合作用利用太阳能从水中提取氢气。通过利用发电厂和工厂排放的氢气和二氧化碳生产烯烃，过去排放二氧化碳的化学制造过程将转变为二氧化碳吸收过程。
不仅减少二氧化碳，而且将其用作资源(碳回收)。人工光合作用技术有望实现保持碳排放和吸收平衡的“新碳社会”，将为不依赖化石资源的原材料多样化和全球变暖对策做出巨大贡献。
03
此次研究的成果
(1)光催化板式反应器的开发
NEDO与ARP Chem全新设计开发了可量产、互联、长期使用的光催化面板反应器。该反应器的上表面由透明玻璃制成，并包含一块25厘米见方的钛酸锶光触媒片。光触媒片与玻璃窗之间有0.1mm的微小间隙，向其供给水进行反应。这里使用的钛酸锶光触媒只能用太阳光的紫外光分解水，但它具有能以几乎100%的量子产率分解水的优良特性。
光触媒板反应器在用紫外光照射时，产生的氢氧气泡继续在反应器上方平稳移动，光触媒板表面保持湿润，含水量高，效率可以保持。研究还发现气泡快速移动并聚结，因此气泡几乎没有光散射的影响。通过在实验室环境中用伪太阳光连续照射该光催化剂片来测量水分解活性的长期耐久性，结果为可能保持80%以上的初始活性超过2个月。
(2) 100m2规模光催化板式反应器示范
通过将新开发的光触媒面板反应器连接起来组装一个3m2的模块，再用塑料管连接，组装出了世界上最大的100m2规模的光触媒面板反应器。每个模块都有一个内置机制，可以自动控制供水量。
经证实，光触媒板反应器在室外环境中连续产生氢氧混合气体约一年。可以观察到光触媒板反应器产生的混合气体是如何被强力吹出的，并在夏季阳光条件好的情况下实现了0.76%的最大太阳能转换效率。
由于这次使用的光触媒只吸收紫外光，太阳能转换效率低至不到1%，但在未来几年内将开发出一种既能吸收可见光又能吸收紫外光的光触媒。目标是转换效率达到5-10%。
(3)气体分离模块从混合气体中分离太阳能氢气
将水分解反应产生的氢氧混合气体导入光触媒板反应系统的气体分离模块，仅分离回收氢气。光触媒板反应器供给气体分离模块的气体成分为氢气和氧气，比例为2:1，分离1天后，平均渗透气体氢气浓度约为94%，氧气浓度为60%以上被分离成的残留气体。多次进行类似实验后，证实无论天气和季节如何，都能以约73%的回收率分离氢气。
在本次示范试验中，使用市售的聚酰亚胺中空纤维分离膜代替本项目主题下正在开发的分离膜，氢气浓缩在渗透气体中，氧气则浓缩在残留的气体中。气体分离模块配备有临时储存混合气体的罐，并配备了通过将供给至分离膜的气体量保持恒定来稳定分离性能的机构。
NEDO和ARP Chem计划开发具有更高氢气分离性能的膜，以实现低成本制氢。
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