【科技】為實現大面積化和低價格化而開發的新式光觸媒板反應器——在1mm水深的反應器里實現水分解

日本新能源產業技術綜合開發機構（簡稱：NEDO）、人工光合成化學過程技術研究組合( ARPChem )和東京大學、TOTO(株)、三菱化學（株）一同為使人工光合成系統面向社會實用化，實現大面積化和低價格化而成功開發出新式光觸媒板反應器。

該款反應器可使塗在基板上的光催化劑薄膜僅在1mm 深的水裡安定地將水分解，和以往的反應器相比可以大幅減少用水量，使利用輕量且便宜的材料進行製作成為可能。

另外，研

究人員試做了1m^2大小的大型光觸媒板反應器，驗證了其在自然太陽光下可將水能分解為氫氣和氧氣。這項成果對光觸媒板反應器的實用化具有劃時代的意義。此研究成果已於2018年1月17日刊登在美國科學雜誌《Joule》的在線速報版上。

至今為止在實驗室範圍內對水進行分解的研究有：用溶有粉末狀光催化劑溶的懸濁狀水溶液方式、直接將粉末固定於光催化劑薄片上的方式和用光半導體設備的方式等。在這些方式下，作為分解水的反應器需要把光催化劑薄片浸入裝有很多水的小型瓶型反應器中用水攪拌；或者利用太陽能電池通過電壓幫助水分解，再利用水泵使溶液強制對流。因此想要實現大面積化和實用化，必須設計能存放大容量水的高強度反應器，這需要高強度的玻璃或樹脂材料。但是用這些材料進行大面積且廉價的設計是十分困難的。

圖　小型光觸媒板反應器（86mm×106mm）

本次研究中，將具有水分解反應活性的鈦酸鍶光催化劑粉末塗抹在玻璃基板上，設計開發出了一種水深很淺且不需要強制對流的新型水分解用光觸媒板反應器（見圖）。具體構造為：在反應器中裝備 50mm 見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毫米。儘管這裡使用的鈦酸鍶光催化劑只能利用陽光中的紫外線進行水分解，但是具有可以僅用一種光催化劑進行水分解的優良特性。 因此，可以通過塗布在基材上來簡單地實現光觸媒板的功能。

通過測量紫外光照射到反應器時產生的氫氣和氧氣量，觀測到在水深 5mm 和1mm 之間沒有顯著差異。另外，當水深為1mm 時，通過增加紫外光強度，發現可以毫無困難地將10％的太陽能進行轉換，產生3.7ml(cm^2/小時) 的氫氣。同時發現當選用親水性窗口材料時，可以有效地防止因微小氣泡連續流動而產生的氣泡積聚現象。本研究還試做了 1m^2 大小的大型光觸媒板反應器，驗證了在自然太陽光下水能分解為氫氣和氧氣的太陽能轉化率為0.4%。

此研究的目標是到2021年底實現10％的太陽能轉換效率。同時，進一步開發更大面積的光觸媒板和氣體分離技術的一體化是實現應用的關鍵。

文/ 客觀日本編輯部

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