建设可再生能源社会的新选择：“人工光合作用”

建设可再生能源社会的新选择：“人工光合作用”

2020/03/31

建设可再生能源社会 新选项“人工光合作用” 具有多种反应的混合体的早期商业化

太阳能利用技术新选项预期为光触媒-电解混合系统通过两步化学反应，使用光催化剂产生氧气，使用电解装置产生氢气安全且低成本的制氢人工光合作用系统

人工光合作用是太阳能利用的新选择

　洒落在大地上的阳光取之不尽，用之不竭。如果所有这些能量都可以转化为电能而不浪费，那么一小时的辐射量将足以覆盖人类一年消耗的所有能量。

　但问题是太阳光的能量密度较低，而且受天气影响不稳定。因此，虽然它具有清洁、取之不尽、用之不竭、在地球上无处不在的优点，但利用这种能源的技术选择却很少，目前唯一可用的选择就是太阳能发电和太阳能热利用。因此，涉及能源技术的研究人员需要创造新的且高度可行的选择来遵循这些方法。

作为一种新的选择，光伏发电研究中心的Kazuhiro Sayama和Yugo Mitsuishi提出了利用人工光合作用技术的“光催化剂-电解混合系统”来“生产太阳能”。人工光合作用是模仿植物光合作用机制，将太阳能转化为化学能，生产氢气和有用化学物质的技术。

　“人工光合作用”一词容易让人联想到科幻小说等未来的景象，因此人们强烈地认为这是一种偏向基础研究的研究，是“尚未应用的研究”。然而，狭山宣称，“事实上，这不再是一个白日梦，而是一项非常接近实用化的技术”，并使用“太阳能制氢”一词来明确这是一项以目标为导向的技术和概念。

通过模仿植物光合作用分两步产生氢气

　利用阳光生产氢气的技术大致有两种。第一个是“光催化剂”系统，通过将光照射到水中的氧化钛来将水分解为氢气和氧气，第二个是“光电极”系统，利用光电极分解水。光催化方法是将粉末状氧化物等半导体材料分散在水中，然后将其暴露在光下以产生氧气和氢气。通过改变溶液的成分，可以生产多种有用的化学品。狭山从大学时代起就一直在研究这种“光触媒”系统。

　光催化剂的研究开发历史悠久，目前已广泛应用于自清洁建筑材料、空气净化器等环境应用，但在产生氢能时，能量转换效率仍然较低，尚未投入实际应用。此外，由于氧气和氢气是从同一来源产生的，因此还存在其他问题，例如爆炸风险以及回收氢气所需的时间和精力。

　提高能源转换效率是最大的挑战，不仅需要找到良好的催化剂，还需要开发更高效的制造方法。关于光触媒，长期以来，分解水的唯一方法是利用紫外线，但2001年，狭山创造了世界上第一个可以利用可见光分解水的光催化系统，向提高转化效率迈出了一步。

　“如何利用可见光高效分解水？在考虑是否能解决安全和成本等问题的同时，我们想到了模仿自然光合作用机制的想法。植物的叶绿体中实际上有两种吸光部分。一种吸光部分通过吸收的光和水反应合成氧气，另一种吸光部分通过吸收的光和水合成氧气。这是一个两步反应，由水合成有机氢化物。氧化还原介质在两种类型的光吸收部分之间传递电子。在此之前，只使用了一种光催化剂，但我意识到可以使用两种类型的光催化剂和一种简单的氧化还原介质来分离氧气和氢气的产生，就像自然光合作用一样。”

通常情况下，光催化剂会同时从水中产生氧气和氢气，但当使用氧化还原介质（例如铁或碘离子）时，一种光催化剂上发生氧化还原还原，同时产生氧气，而另一种光催化剂上发生氧化还原，同时产生氢气，并恢复到原来的状态。

　此方法可以使用多种类型的催化剂，您可以尝试各种组合。此外，人们认为理论上，氧气和氢气可以分离并分别生产，因此安全性很高，并且无需收集氢气。由于对这一新概念和研究成果的发表抱有很高的期望，许多研究人员进入了这一领域，但为了将其投入实际应用，还有许多问题需要解决，例如制氢效率低。

实现世界最高效率，接近植物效率

　随着我继续研究，我发现两种光催化剂的放氧侧的性能都还不错。需要改进的是产生氢气的反应。

　“既然如此，我们就用电解槽代替氢气吧。如果我们可以使用现有的光催化剂，而不是坚持使用新的光催化剂，那就太好了。”（狭山）这引发了光催化剂-电解混合系统的想法。

　上述光催化反应的第一步就是Fe²⁺溶液生成后，会通过使用外部设备的低压电解槽。 Fe²⁺是铁³⁺这样，氢和氧就可以完全分离，而且很容易扩大面积。狭山觉得这是一个可以在短时间内投入实际使用的系统。

　大约 20 年前，狭山首次提出这个想法。然而，虽然光触媒和电解相结合的混合装置发挥了预期的作用，但无法显着提高光触媒的转换效率。

　转折点出现在2009年，不出所料，专门从事光触媒业务的三石加入了公司。三石开始研究这一课题并稳步取得成果，将太阳能转换效率从最初的不足01%迅速提高到03%。

　光触媒是一种复杂的材料，必须在一个粒子中完成所有必要的事情。需要考虑的事情有很多。在逐一解决每个问题的同时，我们确定了阻碍性能提升的因素，并通过反复实验，我们能够找到更好的光触媒。''

这就是三石回顾那些日子的情景。此后，研究不断提高光催化剂的性能，现已实现065%的转换效率。这一数字目前在使用粉末光催化剂和氧化还原介质的人工光合作用技术中是世界最高的。

　目前屋顶太阳能电池的效率约为20%，因此065%可能显得很低。然而，玉米将阳光转化为纤维素的能源效率约为08%。人工光合作用的机理与太阳能电池基本相同，因此我们相信理论上可以实现10％或更高的转换效率，但我们相信，仅通过在铁溶液中添加氧化物粉末就能够实现接近植物的转换效率，这是一项相当大的成就。”（三石）

　未来效率的提高将取决于我们是否能够制造出甚至可以吸收最长波长的阳光的光催化剂。然而，在寻找光催化剂时，如果人类手动进行，可以测试的类型是有限的，因此他们目前也在使用自动催化剂生成机器人。未来，通过将其与人工智能相结合，我们应该能够使光触媒搜索本身更加高效。

连接技术也很重要

　当狭山第一次提出光触媒电解混合的想法时，他周围的反应并不太好。虽然人们对此很感兴趣，但与光触媒不同的是，光触媒只需添加粉末即可完成，但使用电力似乎很复杂，而且最重要的是，它会很昂贵。

　然而，实际上，这是一个简单的系统，只需将光催化剂分散在铁溶液中并将其暴露在光线下，就可以轻松增加容量，并且系统会自动产生能量。据估计，这种混合系统将比太阳能发电和水电解相结合的系统更便宜。

此外，通过改变溶液的类型并生产和销售高价值的有机物质和有用的化学品（过氧化氢、次氯酸等）来代替氧气，应该可以进一步降低整个系统的成本。我们也在积极研究此类光催化系统和光电极系统。

　混合动力汽车同时配备电池和汽油发动机，因此最初价格昂贵，并且进入市场的速度缓慢。然而，随着成本的降低、对环境的低影响和燃料效率的提高，它们变得越来越受欢迎。未来，仅使用电力或氢气运行将是理想的选择，但我们正在使用混合动力作为过渡，直到这成为现实。”

　光触媒-电解混合系统也是一样，Sayama 表示，它更多的是一种桥接技术，而不是终极技术。我们的想法是，与其等到找到终极光催化剂才引进新技术，不如尽快将实用技术投入实际应用，为低碳社会做出贡献。

目前，感兴趣的企业正在不断增加，我们正在与各领域的企业一起进行研究开发，以实现实际应用。未来我们将在光催化侧找到转换效率超过1-3%的材料，并在电解侧进行大规模示范实验，扩大光触媒和电解的应用范围，寻找最佳匹配。

　“能源相关技术需要时间才能投入实际应用，所以如果我们不同时运行长期、中期和短期技术，我们就会失去动力。我们相信实际应用已经不远了，所以我们希望更多的公司参与这项技术的研发，坚持不懈地进行开发，尽快实现可再生能源社会。”狭山说。

　三石也表达了自己的决心，他说：“我相信人工光合作用和太阳能制氢是最终对社会有用的技术。我将努力完成我的使命，尽快将这项技术与企业联系起来。”