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半導體Device也可以用于碳中和？

作者：網站管理員　來源：本站原創　日期：2023/10/31 9:29:04　點擊：2860　屬于：行業新聞

      近日，日本電信服務巨頭NTT公司發表了一項新成果，將使用太陽能的半導體光觸媒和能夠還原二氧化碳（CO₂）的金屬觸媒作為電極組合，制作出了一種可以進行人工光合作用的Device（半導體器件）。該器件實現了連續350小時的碳吸收，累計吸收下來的碳排量超過了1棵杉樹同單位面積1年吸收的碳排放量。

 

      此次成果應用到的技術預計將于2023年11月14日至17日舉辦的“NTT R&D FORUM 2023 - IOWN ACCELERATION”論壇上展示。

 

                                               NTT展示的碳中和與人工光合作用的開發研究概要圖(出自:NTT官網)

      人工光合作用，是一種利用半導體和觸媒等無機物，將已經排入（或者將要排入）大氣中的CO₂轉換成一氧化碳（CO）和甲酸（HCOOH）等可用物質進行吸收的技術。當前全世界都在火熱研究該技術，但是目前連續轉換CO₂的試驗時間始終停留在幾小時至十幾小時的水平上，迫切需要開發一種用于延長該時間的抗降解技術。

 

      其中NTT公司研究開發的人工光合作用器件，就是由使用半導體光觸媒的氧化電極和使用金屬觸媒的還原電極構成的。要想將其實際應用，還需要抑制腐蝕造成的降解反應、設計出能長時間耐化學反應的長壽電極等課題。

 

      此外，在人工光合作用轉換CO₂技術中，廣泛采用的是將水溶液中溶存的CO₂還原成CO和HCOOH的方法，但水溶液中能夠溶解的CO₂的量是有限的，而且很容易出現副反應。因此，需要一種能夠選擇性轉換CO₂的電極構造和器件設計。

 

      于是，NTT團隊為了實現更高效地長時間連續進行氣相CO₂轉換的人工光合作用，就設計開發出了這種，壽命長的半導體光觸媒電極、與電解質膜一體化的纖維狀金屬觸媒電極，共同組成的人工光合作用Device。以達到能夠利用太陽能和高效率轉換CO₂的目的。

 

                                                  人工光合作用Device的概要圖(出自:NTT官網)

 

該技術的要點主要有以下2點。

1. 半導體光觸媒電極的降解反應抑制技術

2. 氣相CO₂的轉換技術

      研發團隊稱，半導體光觸媒電極的反應衰退抑制技術的課題，就是在使用氮化鎵（GaN）系電極做為半導體光觸媒時，如何抑制GaN表面與水溶液的界面處產生的降解反應。最終通過將GaN表面進行平滑處理，形成一層可以充分透光的厚度2nm的均勻氧化鎳（NiO）保護層，成功防止了GaN與水溶液的接觸，大幅控制住了電極的降解。

 

      另一方面，在氣相CO₂轉換方面，將水溶液中溶存的CO₂進行轉換的金屬電極以往都是板狀結構為主流。不過這次為了轉換氣相CO₂，他們想出了一種一體化的電極構造，該構造有具備CO₂擴散性高的纖維狀金屬、能將CO₂置換反應所需要的質子（氫離子）供給到反應區。這樣不用使電極浸泡水溶液中就可以供給CO₂置換反應所需的質子到反應區，氣相CO₂的直接轉換就成為了可能。通過這些電極構造上的改變，使CO₂的轉換效率比以往提高了10倍以上。

據稱，他們使用模擬陽光照射這種人工光合作用Device進行了氣相CO₂轉換實驗，結果確認連續350小時里CO₂轉換成了CO和HCOOH。根據生成的CO和HCOOH算出每單位面積的累計碳吸收量達到了420g/m²，創造了使用半導體光觸媒進行人工光合作用連續運作350小時的世界最長紀錄。NTT還表示，此次驗證的碳吸收量，超過了1棵杉樹1㎡約1年所吸收的碳排量。

 

                                                            光照時間與碳吸收量的變化(出自:NTT官網)

 

      隨著半導體技術的不斷進步，還會出現反應效率更高、使用壽命更長的電極。在這類技術不斷的推動下，人類逐漸朝碳中和走去。