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半导体Device也可以用于碳中和?


作者:网站管理员 来源:本站原创 日期:2023/10/31 9:29:04 点击:700 属于:行业新闻
半导体Device也可以用于碳中和?

      近日,日本电信服务巨头NTT公司发表了一项新成果,将使用太阳能的半导体光触媒和能够还原二氧化碳(CO2)的金属触媒作为电极组合,制作出了一种可以进行人工光合作用的Device(半导体器件)。该器件实现了连续350小时的碳吸收,累计吸收下来的碳排量超过了1棵杉树同单位面积1年吸收的碳排放量。

 

      此次成果应用到的技术预计将于20231114至17举办的NTT R&D FORUM 2023 - IOWN ACCELERATION”论坛上展示。

 

                                               NTT展示的碳中和与人工光合作用的开发研究概要图(出自:NTT官网)



      人工光合作用,是一种利用半导体和触媒等无机物,将已经排入(或者将要排入)大气中的CO2转换成一氧化碳(CO)和甲酸(HCOOH)等可用物质进行吸收的技术。当前全世界都在火热研究该技术,但是目前连续转换CO2的试验时间始终停留在几小时至十几小时的水平上,迫切需要开发一种用于延长该时间的抗降解技术。

 

      其中NTT公司研究开发的人工光合作用器件,就是由使用半导体光触媒的氧化电极和使用金属触媒的还原电极构成的。要想将其实际应用,还需要抑制腐蚀造成的降解反应、设计出能长时间耐化学反应的长寿电极等课题。

 

      此外,在人工光合作用转换CO2技术中,广泛采用的是将水溶液中溶存的CO2还原成COHCOOH的方法,但水溶液中能够溶解的CO2的量是有限的,而且很容易出现副反应。因此,需要一种能够选择性转换CO2的电极构造和器件设计。

 

      于是,NTT团队为了实现更高效地长时间连续进行气相CO2转换的人工光合作用,就设计开发出了这种,寿命长的半导体光触媒电极、与电解质膜一体化的纤维状金属触媒电极,共同组成的人工光合作用Device。以达到能够利用太阳能和高效率转换CO2的目的。

 

                                                  人工光合作用Device的概要图(出自:NTT官网)

 

该技术的要点主要有以下2点。

1. 半导体光触媒电极的降解反应抑制技术

2. 气相CO2的转换技术


      研发团队称,半导体光触媒电极的反应衰退抑制技术的课题,就是在使用氮化镓(GaN)系电极做为半导体光触媒时,如何抑制GaN表面与水溶液的界面处产生的降解反应。最终通过将GaN表面进行平滑处理,形成一层可以充分透光的厚度2nm的均匀氧化镍(NiO)保护层,成功防止了GaN与水溶液的接触,大幅控制住了电极的降解。

 

      另一方面,在气相CO2转换方面,将水溶液中溶存的CO2进行转换的金属电极以往都是板状结构为主流。不过这次为了转换气相CO2,他们想出了一种一体化的电极构造,该构造有具备CO2扩散性高的纤维状金属、能将CO2置换反应所需要的质子(氢离子)供给到反应区。这样不用使电极浸泡水溶液中就可以供给CO2置换反应所需的质子到反应区,气相CO2的直接转换就成为了可能。通过这些电极构造上的改变,使CO2的转换效率比以往提高了10倍以上。

据称,他们使用模拟阳光照射这种人工光合作用Device进行了气相CO2转换实验,结果确认连续350小时里CO2转换成了COHCOOH。根据生成的COHCOOH算出每单位面积的累计碳吸收量达到了420g/m2创造了使用半导体光触媒进行人工光合作用连续运作350小时的世界最长纪录。NTT还表示,此次验证的碳吸收量,超过了1棵杉树1㎡约1年所吸收的碳排量。

 


                                                            光照时间与碳吸收量的变化(出自:NTT官网)

 

      随着半导体技术的不断进步,还会出现反应效率更高、使用寿命更长的电极。在这类技术不断的推动下,人类逐渐朝碳中和走去。

 


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