日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱：NEDO）、人工光合成化學(xué)過(guò)程技術(shù)研究組合( ARPChem )和東京大學(xué)、TOTO(株)、三菱化學(xué)（株）一同為使人工光合成系統(tǒng)面向社會(huì)實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)大面積化和低價(jià)格化而成功開(kāi)發(fā)出新式光催化板反應(yīng)器。

該款反應(yīng)器可使涂在基板上的光催化劑薄膜僅在1mm深的水里安定地將水分解，和以往的反應(yīng)器相比可以大幅減少用水量，使利用輕量且便宜的材料進(jìn)行制作成為可能。另外，研究人員試做了1m^2大小的大型光催化板反應(yīng)器，驗(yàn)證了其在自然太陽(yáng)光下可將水能分解為氫氣和氧氣。這項(xiàng)成果對(duì)光催化板反應(yīng)器的實(shí)用化具有劃時(shí)代的意義。此研究成果已于2018年1月17日刊登在美國(guó)科學(xué)雜志《Joule》的在線速報(bào)版上。

至今為止在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)對(duì)水進(jìn)行分解的研究有：用溶有粉末狀光催化劑溶的懸濁狀水溶液方式、直接將粉末固定于光催化劑薄片上的方式和用光半導(dǎo)體設(shè)備的方式等。在這些方式下，作為分解水的反應(yīng)器需要把光催化劑薄片浸入裝有很多水的小型瓶型反應(yīng)器中用水?dāng)嚢瑁换蛘呃锰?yáng)能電池通過(guò)電壓幫助水分解，再利用水泵使溶液強(qiáng)制對(duì)流。因此想要實(shí)現(xiàn)大面積化和實(shí)用化，必須設(shè)計(jì)能存放大容量水的高強(qiáng)度反應(yīng)器，這需要高強(qiáng)度的玻璃或樹(shù)脂材料。但是用這些材料進(jìn)行大面積且廉價(jià)的設(shè)計(jì)是十分困難的。

圖　小型光催化板反應(yīng)器（86mm×106mm）

圖在含紫外光照射下的光催化片的面板反應(yīng)器中的產(chǎn)氫量

親/疏水處理時(shí)氣泡的狀態(tài)

圖 大型光催化反應(yīng)器的面板結(jié)構(gòu)

圖 大型光催化板式反應(yīng)器的外觀

本次研究中，將具有水分解反應(yīng)活性的鈦酸鍶光催化劑粉末涂抹在玻璃基板上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一種水深很淺且不需要強(qiáng)制對(duì)流的新型水分解用光催化板反應(yīng)器（見(jiàn)圖）。具體構(gòu)造為：在反應(yīng)器中裝備50mm見(jiàn)方的鈦酸鍶光催化劑薄片，薄片的上方受到紫外光照射的為透明石英窗，其間供水深度僅為數(shù)毫米。盡管這里使用的鈦酸鍶光催化劑只能利用陽(yáng)光中的紫外線進(jìn)行水分解，但是具有可以僅用一種光催化劑進(jìn)行水分解的優(yōu)良特性。 因此，可以通過(guò)涂布在基材上來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)光催化板的功能。

通過(guò)測(cè)量紫外光照射到反應(yīng)器時(shí)產(chǎn)生的氫氣和氧氣量，觀測(cè)到在水深5mm和1mm之間沒(méi)有顯著差異。另外，當(dāng)水深為1mm時(shí)，通過(guò)增加紫外光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)可以毫無(wú)困難地將10％的太陽(yáng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生3.7ml（cm^2/小時(shí)）的氫氣。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)選用親水性窗口材料時(shí)，可以有效地防止因微小氣泡連續(xù)流動(dòng)而產(chǎn)生的氣泡積聚現(xiàn)象。本研究還試做了1m^2大小的大型光催化板反應(yīng)器，驗(yàn)證了在自然太陽(yáng)光下水能分解為氫氣和氧氣的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率為0.4%。

此研究的目標(biāo)是到2021年底實(shí)現(xiàn)10％的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更大面積的光催化板和氣體分離技術(shù)的一體化是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。

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文章來(lái)源：http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100899.html