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日本领跑人工光合作用,精英前往中国
 
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日本领跑人工光合作用,精英前往中国


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日本领跑人工光合作用,精英前往中国

2021/10/20

 

       在利用水、二氧化碳和阳光制造化学原料的“人工光合作用”研究方面,面向实用化的成果相继出现。虽然仍然很难做到像植物那样制造淀粉,但在前期阶段的氢气制造方面,三菱化学等成功完成了大规模验证。在人工光合作用的研发方面,日本走在世界前列。要实现人工光合作用,能否解决降低成本等课题成为焦点。

 

 

       三菱化学和富士胶片等组建的“人工光合作用化学进程技术研究组合”8月表示与东京大学等合作,成功进行了利用光催化剂、以阳光和水取得高纯度氢的世界最大规模实证试验。

 

       在茨城县石冈市的室外试验场,设置了涂布光催化剂的25厘米见方的薄膜和装有水的1600块面板。面板的受光面积合计为100平方米的大规模,在约1年的时间里,成功地稳定制造和分离了氢气。

 

水分解光催化剂面板(茨城县石冈市的东京大学柿冈教育研究设施)

 

       此次使用的光催化剂只吸收紫外线,即使是日照条件好的日子,能源转换效率最高也仅为0.76%。将在数年内开发能吸收可见光的光催化剂,实现被视为人工光合作用实用化标准的510%转换率,力争到2030年前后使商用设备投入运行。

 

       东京大学特别教授堂免一成表示,“如果在相当于日本本州和四国的合计面积的土地上设置转换效率10%的光催化剂面板,将能产生满足2050年全球三分之一能耗的氢气”。

 

       不使用光催化剂,而是采用电极的其他方式也出现了提高转换率的案例。丰田旗下的研发企业丰田中央研究所成功将转换率提高至7.2%,属于世界最高水平。

       丰田中央研究所使用的设备为36厘米见方,将含有二氧化碳的水注入连接光伏电池的2个电极。使电极附近产生的氢离子与二氧化碳发生反应,形成甲酸。甲酸在常温下为液体,与氢气本身相比,更方便储存和运输。丰田中央研究所还启动了更大的1米见方装置的研究,表示希望到2030年前后掌握实用化所需的技术基础。

 

       此外,日本住宅企业饭田集团控股和大阪市立大学合作,正在冲绳的宫古岛推进产生1套独户住宅所需全部电力的“人工光合作用房屋”的实证试验。

 

       在房屋上,利用人工光合作用面板通过二氧化碳形成甲酸,并进行储存。以通过甲酸提取的氢作为燃料,供应电力和热水。制取氢气时会产生副产物二氧化碳,但能重新通过人工光合作用形成甲酸,制造氢气,形成循环。大阪市立大学教授天尾丰表示,“打算测试能否在不排放二氧化碳的情况下获得电力”。

 

 

       海外也在推进相关举措。德国大型化工企业赢创工业(Evonik Industries)和西门子能源2020年在德国设置了大型实证测试设备。利用太阳能等生成的电力将二氧化碳和水分解成一氧化碳和氢气,再通过微生物的作用将其转化为塑料原料等。实证测试设备的年产量计划达到10吨。争取未来5年内设置商用设备。

 

       中国、韩国、美国也加快了研究步伐。尤其是美国,美国能源部2020年宣布5年内将投资1亿美元开展人工光合作用研究,举全国之力支持开发竞争。

 

       氢气在脱碳方面备受关注,目前大部分是从甲烷等天然气中分离出来的,制造过程中会排放大量的二氧化碳,因此被称为“灰氢”。另一方面,如果电解水的方法使用来源于可再生能源的电力,便可制造出不排放二氧化碳的“绿氢”,但是成本很高。如果使用来源于火力发电的电力,则仍然属于灰氢。

 

 

       人工光合作用将来有望以低成本制造绿氢。如果能够解决提高能量转换效率和制造装置大型化的课题,就能在成本上对抗来源于天然气的氢气。日本政府提出了将来把每公斤氢气的采购成本降低到220日元(约合人民币12.6元)的目标,是目前的五分之一。

 

       利用光催化剂技术成功进行大规模实证试验的三菱化学等企业的计算结果显示,如果实现10%的转换效率,并延长光催化剂的寿命,在日本生产1公斤氢气的成本可降低到240日元(约合人民币13.7元),接近日本政府的目标,而在日照强的中东地区,每公斤成本可降低到85日元(约合人民币4.9元)。

 

       要生产实用的化学原料,必须确保低廉的氢气。植物通过光合作用产生淀粉的复杂反应很难再现,目前绝大部分项目都是制造甲酸等结构简单的化学原料。为了合成更为复杂的化合物,业界正在推进相关原理的研究。

 

       诺贝尔奖得主、20216月逝世的美国普渡大学特聘教授根岸英一生前曾表示“我们要凝聚人类智慧,以实现人工光合作用为目标” ,呼吁通过技术来防止全球变暖。响应这一提议的化学家等经过反复试验,终于接近了这一目标。

 

       发现原理的藤岛昭将在中国开展研究

 

       日本在人工光合作用的研究开发方面处于领先地位,发现其重要原理的是东京理科大学荣誉教授藤岛昭,而藤岛今后将在上海理工大学开展研究活动。如果相关技术流入研究人员数量和预算规模都很庞大的中国,日本的优势地位有可能发生动摇。

藤岛昭(照片由东京理科大学提供)

 

       上海理工大学8月底的发布资料显示,藤岛将带领研究团队在该校开展研究活动。上海理工大学还将为了藤岛等人新设光催化剂方面的国际性研究机构。目前,藤岛昭担任荣誉教授的东京理科大学对于他今后会将重心放在哪所学校,表示“眼下还不清楚”。

 

       日本经济新闻(中文版:日经中文网)出资的调查公司Astamuse的数据显示,在根据持有专利的价值等排名的人工光合作用领域实力企业和大学的世界排行榜上,东京大学排在第一,富士胶片控股排在第二,前5名都被日本垄断。

 

       关于日本研究能力之强,很多相关人员都指出了藤岛等人的功绩。日本产业技术综合研究所首席研究员佐山和弘表示,“随着(日本)在研究上领先,研究人员越来越多。1970年代石油危机平息后,欧美很多人放弃了研究,而日本继续埋头研究,才有了如今的地位”。

 

       虽然也有观点认为,藤岛近年在日本从事的研究“主要跟使用光催化剂净化环境相关,对日本的人工光合作用研究没有影响”(东大特别教授堂免一成),但今后他的研究主题也有可能改变。

 

       如果拥有实绩的日本研究人员流向海外,日本的研发能力有可能下滑。如何留住优秀的人才,考验着日本国家层面的战略。

 

       日本经济新闻(中文版:日经中文网)三隅勇气、张耀宇

 

       人工光合作用:模拟植物的光合作用,利用阳光将水分解为氢气和氧气,使制备的氢气与二氧化碳发生反应,以制造燃料及化学产品等。这种氢气是制造时不排放二氧化碳的“绿氢”,还能通过制造化工产品直接减少二氧化碳。大体分为使用光催化剂和使用电极的两种方式。

 

       1967年,现在的东京理科大学荣誉教授藤岛昭等人发现了“本多-藤岛效应”——用光照射放入水中的氧化钛,水会分解成氧气和氢气,从此该领域的研究兴起。藤岛凭借这一功绩被提名为诺贝尔奖候选人。

 


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