編者按：“雙碳”背景下，隨著科技水平不斷進步和能源行業(yè)快速發(fā)展，分布式能源已成為引領(lǐng)能源領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢之一。第十九屆中國分布式能源國際論壇”于2023年12月12日在重慶召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會上，

重慶大學(xué)能源與環(huán)境研究所副所長楊仲卿教授做了主題為《太陽能光催化還原CO2及分布式應(yīng)用場景》的報告。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。

楊仲卿：好，謝謝段主任的介紹。

各位專家、各位同事，大家下午好。我是來自重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，在開始之前我先簡單介紹一下我們單位。

重慶大學(xué)于1929年成立，我們學(xué)院1937年成立，現(xiàn)在我們有四個專業(yè)，一個是能源與動力工程;新能源科學(xué)與工程;核工程核技術(shù);儲能科學(xué)工程。我們前三個專業(yè)都已經(jīng)建成了國家一流本科專業(yè)，儲能這個專業(yè)我們是一個新型工科專業(yè)，我們已經(jīng)把它建成了一個國家級的平臺，叫做儲能國家產(chǎn)教融合平臺。這是國家七個平臺之一。

今天非常容幸有機會我們參加分布式能源的國際論壇，特別是我們今天這個論壇講的是分布式能源的創(chuàng)新業(yè)態(tài)，我就想把我們創(chuàng)新的一些想法，還有一些我們研究的成果向各位專家做一個匯報，大家一起來交流。

我的題目是《太陽能光催化還原CO2及分布式應(yīng)用場景》，我將從以下幾個方面向各位做一個匯報。

第一，技術(shù)背景。今天上午大會很多專家都提到了，我們在碳達峰和碳中和，在雙碳的背景下，我們在這個背景下如何來構(gòu)建現(xiàn)代化的能源體系以及加快推進能源轉(zhuǎn)型，是我們共同關(guān)注的一個問題。

在國家政策導(dǎo)向下，我們就有一個二氧化碳的補給和利用就是實現(xiàn)我們碳達峰當(dāng)中的一個很重要的手段，我們叫CCUS。對于二氧化碳的補給和利用當(dāng)然有很多的技術(shù)路徑和技術(shù)的手段，它常規(guī)的方法從工藝編輯當(dāng)中給它補給儲存下來，經(jīng)過壓縮、運輸和儲存，最后來進行利用。在利用環(huán)節(jié)有很多的方式，包括地質(zhì)儲存、去油、生物利用、礦化，當(dāng)然我們在工業(yè)當(dāng)中應(yīng)用是我們把二氧化碳，把溫室氣體做成我們更有價值的資源化利用的一個非常重要的方式。

我們的關(guān)注點就是怎么樣把二氧化碳補給下來之后，還要把它變成我們有價值的能源。我們要想把二氧化碳還原，要想把它變成燃料，也有一些不同的方法和路徑。比如說，我們用熱催化的方法，當(dāng)然它太耗能。我們用電催化的方法，我們要消耗電能。所以我們就提出來一種方法，叫做人工光合作用。這種光合作用它的能量全部來自于太陽能，從太陽能當(dāng)中來獲取能量，最后把我們二氧化碳和水把它變成我們所說的太陽能燃料。它的反應(yīng)就是二氧化碳加水的過程，它是仿照著我們的光合作用整體過程。

最終，它會生成我們說的太陽能燃料的一氧化碳、甲烷，這是我們所需要的燃料。它需要的能量就來自于太陽光。

在光催化當(dāng)中，我們國內(nèi)外也有很多的學(xué)者做這個研究，但是目前來看存在一個問題，現(xiàn)在光催化的效率不太高。原因是什么呢?我們傳統(tǒng)的光催化主要是針對我們可見的紫外的波段。我們本身的專業(yè)學(xué)的是能源動力，我們關(guān)注熱能利用，我們把太陽能當(dāng)中的全光譜利用起來。除了它的可見光，還有紫外光以外，還有紅外的一部分。紅外的一部分可以采用，熱又促進我們光的催化，所以它是一個協(xié)同的效應(yīng)。

我們采用這種方法以后，它可以克服我們傳統(tǒng)的光催化當(dāng)中只利用可見和紫外的部分，沒有利用紅外部分，所以它的產(chǎn)率會大大的得到提高。我們這個技術(shù)特點也是光的協(xié)同利用。

總體來看，它的第一個特點就是剛才講的人的光合作用來制備碳氫燃料。

另外一個，就是太陽光譜全部的替劑利用。它有紅外、紫外、可見光都有，它同時也是我們把太陽能變化的能源變成了我們可儲存的化石能源的一個過程，它是實現(xiàn)了太陽能儲能的技術(shù)。當(dāng)然，這個技術(shù)里面聽起來很好，但是實際上有很多的問題需要解決。比如說，它里面存在著傳輸距離大，電子的傳輸距離大，另外太陽光的吸收效率低，還有電子跨界面?zhèn)鬏斃щy以及熱值強化存在困難等等問題。這個地方我們都逐一對它進行了一個解決。解決了以后，我們就形成了一個光熱協(xié)同催化還原二氧化碳的提供方法，這個方法能夠?qū)崿F(xiàn)我們二氧化碳的一個高效的轉(zhuǎn)化。

接下來，還有一個技術(shù)應(yīng)用。既然它可以把二氧化碳利用，我們就結(jié)合到太陽光的本身特點，能不能就把它做成一些不同應(yīng)用場景。比如說，模塊化的太陽能板式的二氧化碳還原裝置，一會兒我們會向大家做詳細的匯報。這樣它可以實現(xiàn)一個分布式靈活的布置。另外，它除了光以外，還可以把我們的風(fēng)結(jié)合到一起，風(fēng)光耦合來實現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)化。另外，第三個方面，它是不是可以把我們在工業(yè)當(dāng)中的一些余熱、余壓利用起來，把它做成一個工業(yè)余壓共同來做光協(xié)同催化的一個方案。

我向各位專家匯報的第二部分，研究成果和進展，怎么樣把剛才提到的問題解決的。

第一個，我們解決了什么呢?光激發(fā)出來以后，我們要盡快的把讓它傳輸?shù)蕉趸挤磻?yīng)的位點上去，這個地方我們就構(gòu)建了碳氫包厚度的原子薄的木穿壁(音)，作為它的碳氫燃料。這個厚度只有1.76個納米，我們通過這樣一個非常薄的材料，它就可以實現(xiàn)光激發(fā)以后很快就到了我們二氧化碳被吸附的活性物檢上去，把二氧化碳還原了。

第二個方面，我們要實現(xiàn)全光譜的利用，它需要把我們的光盡量的給吸收。我們就從黑蝴蝶上面得到的啟發(fā)，大家看到這個黑蝴蝶為什么黑呢?實際上光進來以后，沒有任何的反射，全部被吸收了。我們就從這上面得到了一個啟發(fā)，做成仿生的矩陣列。光進來以后，我們沿著這個光的通道，所有的把光全吸收下來，它就可以有很高的光的一個利用的效率。

經(jīng)過這樣的設(shè)計以后，我們就達到了與國際水平還要高。

另外，我們在這個基礎(chǔ)之上又構(gòu)建了漸變電子橋。我們把它一些活化的中心把它放在了一個很微觀的納米島上，通過這樣的構(gòu)建，我們抑制它的電子在這個島內(nèi)進行傳輸，也是防止它的載流子來進行復(fù)合。有了這個方法以后，在我們之前的基礎(chǔ)之上，進一步又提高了它的效率。

為了提高它的轉(zhuǎn)化的強度，還有一個方法策略，就是仿真植物根莖。因為這個過程它反映到二氧化碳和水，因為我們這個專業(yè)里面也是搞傳質(zhì)這方面的研究，所以我們就把它傳質(zhì)的過程進一步的來進行強化。我們就用石墨硒的氣凝膠漂浮在葉面上面，使光熱水蒸發(fā)與二氧化碳能夠盡快的接觸，使它的氣態(tài)形式能夠精準的傳輸?shù)剿幕钚晕餀z上去，提高它的活性能力。這樣的話，產(chǎn)率已經(jīng)達到了國際的頂尖水平。這是我們從微觀結(jié)構(gòu)上的研究。

經(jīng)過上面的研究之后，我們就形成了我們光熱協(xié)同催化還原二氧化碳調(diào)控的方法。

接下來，我們想要把這個技術(shù)和方法應(yīng)用到我們實際的工作當(dāng)中去。第一個，我們構(gòu)象就是用太陽能板式做一個全太陽光譜的C02協(xié)同二氧化碳的還原應(yīng)用裝置。它就有點像我們的一個太陽能的光伏的單元，非常的類似，做到板式的C02協(xié)同催化二氧化碳的裝置。還可以有一個立體的接收面，在地面上我們可以有一定的清剿，可以減少它的占地面積。

另外，有一些感光的單元。二氧化碳我們就可以從它的通道里面，我們這里有通道，從通道里面流進去，和我們的催化進行反應(yīng)。在光照的條件下出去以后，就并成了我們所需要的一個太陽能燃料。這樣就做一個最小的單元，就有很好的可擴展性。

我們一個單元，單個太陽能板，我們的設(shè)計它的吸收效率應(yīng)該在90%以上，甲烷和碳金燃料的產(chǎn)率一個單元可以80升每天，甲烷的選擇性可以到90%以上。

這個效率怎么樣呢?我們就把技術(shù)和我們常規(guī)的，比如說有電催化還原二氧化碳作了一個比較。所以我們電催化還原二氧化碳，我們這個電來自于可再生資源，所以它是一個串聯(lián)的方式。我們本身直接太陽光來還原二氧化碳，我們就作了一個比較。在效率上面也是有一定的優(yōu)勢，這是第一種應(yīng)用的場景。

比如說，它可以應(yīng)用在一些中小型的工廠和企業(yè)，有一百個平米左右園區(qū)的空地和投資地，但是投資的周期可能比較長，在15年左右。它產(chǎn)生的燃料可以用于，比如說我們固然，代替一些點火燃料等等，它的特點是適用于小規(guī)模的一些應(yīng)用，結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，可以靈活拆分和組裝。

第二種方式，在我們這個技術(shù)之上，還可以加一些風(fēng)光互補。這是一個風(fēng)光互補的裝置，中間是太陽能光照，通過它這個窗口。外面我們加了一個什么呢?它通過風(fēng)力的轉(zhuǎn)動，它可以產(chǎn)生一個磁場。這個像葉片一樣的，葉片在風(fēng)的作用下可以帶動它的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)它就可以通過切割的形式產(chǎn)生磁場。這個磁場對我們的光催化又是一個很好的強化作用，我們就可以把它做成風(fēng)光互補的這么一種形式。又把它的應(yīng)用場景進一步的拓展，它的一個單個的裝置我們也可以做到10個左右，最大的高度可以大15米左右。

在標準的太陽光下，單個的風(fēng)光互補的太陽能光催化還原二氧化碳裝置，它的吸收率，太陽能的利用率可以到90%，產(chǎn)燃料一天可以到1800升，效率是8%到12%，因為這個地方加了風(fēng)能，所以效率進一步的提升。甲烷的轉(zhuǎn)化率可以達到90%以上。

我們應(yīng)用的場景就包括風(fēng)光條件比較好的，像工廠的一些設(shè)備的頂部都可以做風(fēng)光互補的裝置，它產(chǎn)生的甲烷和燃料都可以作為補燃的替代燃料，它的投資回收期就會比較短，大概在五年左右。適用規(guī)模是集中式、中小型、戶外風(fēng)光的儲能應(yīng)用，可以建立新型能源島的形式，我們來比較它的效率。

本身它可以做成一個串聯(lián)的形式，單個可以做10個平方左右，它可以做成一個串聯(lián)的形式。

第三個方面，我們基于工業(yè)和余熱、余壓。在工廠的生產(chǎn)當(dāng)中會有很多的余熱和余壓，溫度不是特別高，可能一兩百度，壓力可能也不太高，這種場合實際上就可以應(yīng)用到光催化二氧化碳還原當(dāng)中來，因為二氧化碳需要水反應(yīng)，如果我們有一個水蒸氣，作為代壓的一個反應(yīng)條件，會進一步的來促進它的反應(yīng)的效果。我們設(shè)計的場景就是把燃氣中提純的二氧化碳，把它和廢蒸汽運用到余熱、余壓反應(yīng)當(dāng)中，就來進行反應(yīng)。可以利用我們工業(yè)廢氣當(dāng)中的溫度和壓力，這樣的話，同樣它的單個反應(yīng)器可以做到10個左右，高度可以在3米左右。

另外，太陽光也可以聚光，可以產(chǎn)生一些高溫和高壓的水蒸氣。所以它的吸收率90%，甲烷的產(chǎn)率每天可以到6700升左右，效率15%到20%，所以這個效率可能就提高的比較多。這個地方就可以用到余熱、余壓的一些工廠，實現(xiàn)一些中型和大型的工廠里面，它的廢氣、廢熱結(jié)合起來應(yīng)用。

現(xiàn)在這個技術(shù)在國內(nèi)外的情況怎么樣呢?我們來看一下，國外現(xiàn)在有一家，蘇黎士聯(lián)邦理工首次用了空氣中的二氧化碳來合成煤油的裝置。這個二氧化碳來自于空氣中的二氧化碳來補給，補給完之后用二氧化碳催化劑把它變成一氧化碳和氫氣，一氧化碳和氫氣進一步的去反應(yīng)，去做了航空煤油，所以它的鏈條比較長，每天可以產(chǎn)2000升左右，它的效率是10%到20%。它也是在去年發(fā)表在了期刊上面。

目前來看，我們國家還沒有做這樣的一個示范，所以我們就分析了一下，我們技術(shù)里面還是有一定的優(yōu)勢。國外它先轉(zhuǎn)化成合成器，然后再進行高速化轉(zhuǎn)化，鏈條是比較長，我們這個就可以直接來進行轉(zhuǎn)化，成本也比較低，規(guī)模也是可以靈活的，規(guī)模可大可小，有這樣的一個優(yōu)勢。

向大家匯報一下，我們的光催化還原二氧化碳。當(dāng)然我們做分布式應(yīng)用場景，還沒有具體的案例，我們現(xiàn)在做了一些前沿的探索，如果大家有興趣，我們可以一起來共同的推進一下，我們把一些新的研究成果能盡快的落地。謝謝。