催化剂能让化学工业远离化石原料吗?

2019年1月7日发布

增加可再生能源的贡献是实现《巴黎协定》制定的气候变化目标的关键主题之一。尽管监管机构、企业部门和学术界都在大力推动可再生能源的发展,但根据IEA 2016年的报告,风能和太阳能在全球一次能源需求中所占的比例仍不到2%。为了减少整体的碳足迹,重要的是不仅要解决能源问题,而且要探索和使用无/低碳原料来源和技术。

传统上,煤、石油和天然气等化石燃料一直是化学工业的基本原料。然而,在过去的十年里,生物基燃料和化学品的生产能力有了显著的提高,大型企业如巴斯夫、陶氏化学、内斯特石油、索尔维和瓦克都拥有生产各种产品的设备,如生物柴油、乙酸、琥珀酸和丙二醇。由于涉及专有微生物物种,这些产品的基础技术是高度机密的,生产过程的特点是严格控制和与特定微生物相关的复杂性。

模拟叶片的人工光合作用

在可再生能源和原料方法中,一个领域越来越多地引起企业部门和学术界 - 人造光合作用的注意。它模拟了十亿岁的天然光合作用过程,并在更高的能量和价值方面产生更好的产品。类似于性质,人造光合体系包括光收获,电荷分离,水分裂和质子利用,将水转化为氢气和氧气,随后,使用二氧化碳等价值化学品和燃料。人造光合作用可以称为光伏部分需要利用太阳能的光伏和电解系统的集成,以帮助分离电解部分下的水分子。催化剂在确定系统的性能,化学选择性和效率方面发挥着至关重要的作用。

人工光合作用在很多方面都是独一无二的:它利用天然丰富的水、二氧化碳和氮气,直接将太阳能转化为有价值的产品;而且,没有任何中间步骤,如生物质生产(如生物基化学品的情况)。与太阳能光伏电池不同,人工合成的能量是以氢、糖和其他有机材料等化学物质的形式储存的,可以在下雨、降雪和其他光线较弱的天气条件下使用。此外,电池不需要储存能量。这些因素使这项技术在太阳能光伏技术方面具有很大的优势。

发展现状和需要克服的挑战


人造光合作用目前在开发阶段(TRL 3-4)。研究专注于提高工艺效率,约为5%约2%,商业化的阈值。此外,对与其他太阳能到燃料技术竞争的技术至关重要,效率水平为10%。对于作为产出的氢,总生产成本在于每公斤5-10美元,而目前的碳氢化合物原料产量仅为每公斤2-4美元。

因此,在实现所需的效率水平的同时,最重要的是,从实验室扩大到大规模生产的人造光合作用构成更大的挑战。还有其他重要的外围挑战,例如控制阳光,便携性和维护的波动影响的能力。通过开发经济,高效且稳定的催化系统,可以克服这些挑战,这一领域的一个区域关键研究组正在努力。此外,通过在集成装置或紧凑型系统中制造蜂窝模块,可以实现效率和成本效益。在这方面,纳米颗粒(NP)催化剂体系可以提供溶液。NP催化剂促进了基于薄膜PV电池的薄“人造叶”系统的构建。

积极技术开发商

人工光合作用催化系统一直是活跃在燃料电池技术的公司感兴趣的,如丰田、本田、三菱汽车、东芝、松下、赢创和SABIC。这些公司积极探索金属、双金属和过渡金属氧化物。

一些创业公司,比如HyperSolar,太阳能技术,绿色科学联盟有限公司(部分富士颜料)Quantiam Technologies Inc.,Nano-x GmbHPixelligent.提出了基于金属氧化物和氢化物的等离子体NP、表面修饰NP和掺杂金属等创新的催化剂体系。

外表

从长远来看,比如2040年及以后,尽管可再生能源(太阳能和风能)和生物化学品预计将分别在能源结构和原料中占据更大的份额,但与这两种来源相关的挑战将需要通过改进替代品来解决。虽然电池的开发和生产预计将在未来几年呈指数级增长,但电池废料的管理将带来更大的环境问题(相当于甚至高于塑料污染)。此外,电池对于航空和海运等行业可能不是一个有吸引力的选择,因为太阳能燃料可能更适合这些行业。为了有效地实现燃料电池等技术的可持续发展目标,氢燃料必须是“绿色的”,而不是“棕色的”。

开发高性能,但经济高效的催化剂系统,应成为解决与人造光合作用相关的技术商业挑战的关键。与此同时,技术开发人员会很好地关注小型设备中的有效组件集成。纳米粒子在增加工艺效率和制造装置“稀释剂”时表现出相当大的潜力。

积极开发催化剂技术的创新和研发团队必须考虑人工光合作用催化剂,并将其纳入未来的技术路线图中。在这一领域,与新兴初创企业和大学合作的机会很多。一项包含协同合作和知识产权保护支持的创新技术的有效战略,将有助于成为未来零碳经济的技术领导者。