模仿植物的人工光合作用 日本太陽能利用再升級 | 環境資訊中心

模仿植物的人工光合作用 日本太陽能利用再升級

2021年07月29日
文:宋瑞文(加州能源特約撰述)

日本豐田汽車集團旗下的豐田中央研究所,今(2021)年曾宣布在「人工光合作用」技術上有新突破,進一步提升能源轉換率。「達成世界最高效率的人工光合作用!豐田做成實用規格的太陽電池。」

所謂人工光合作用,指的是利用太陽能製造化合物的技術。日本政府早早決定投入研究,並在近年逐漸接近實用化水準。


根據光化學協會出版的書籍,人工光合作用被稱為夢幻的新能源。圖片來源:kodansha

為何日本會積極發展人工光合作用技術呢?據經濟產業省說明,日本為了遵循處理氣候變遷問題的巴黎協定,以及在暖化對策與經濟成長之間達成雙贏,定下在2050年之前達成減少80%溫室氣體的目標。


植物與人工的光合作用,植物能生成葡萄糖等,人工能生成塑膠原料。圖片來源:經產省

人工光合作用如何減碳?

日本各行各業裡,排碳最多的產業是消耗熱能的鋼鐵業,第二是生產塑膠的化工產業,兩者都要消耗化石燃料。人工光合作用能夠製造氫燃料(使用氫燃料的鋼鐵業可以大幅減碳)與化工原料(烯烴)。這兩大碳排產業所需,未來都可能由人工光合作用支應。因此人工光合作用是一項可望擺脫化石燃料,實現零碳社會的科技。

要認識人工光合作用的概念,可以從每個人都知道的光合作用切入。光合作用,指的是植物利用太陽能,從二氧化碳和水裡生成氧氣。而模仿植物光合作用的人工光合作用,則是把二氧化碳和水當原料,再利用太陽能轉換成不同的化學物質。

三個技術領域:光觸媒、分離膜、合成觸媒

進階地說,人工光合作用成敗的關鍵,是日本特別研發的「觸媒技術」。在這裡以能夠合成出烯烴(塑膠原料)的案例來說明。要進行人工光合作用,須使用被稱為「光觸媒」的物質,它能在經過光的照射之後,產生特定的化學反應,生成新的化合物。

而這裡的「光觸媒」,在被太陽光照射之後,可以分解水,產生氫氣與氧氣。接著,再透過「分離膜」,單獨把氫氣分離出來。最後,取出的氫氣,和工廠排出的二氧化碳,經過「合成觸媒」產生化學反應,製造出烯烴(塑膠原料)。


生產烯烴的人工光合作用太陽能板與其他製程,其中包括「光觸媒」、「分離膜」、「合成觸媒」。圖片來源:經產省

因此,要實現人工光合作用,就要在「光觸媒」、「分離膜」、「合成觸媒」三個領域研究開發。為此日本經濟產業省自2012年開始投入資源,支持相關產學研究。其中要點在於,如何提高「太陽能轉換效率」,讓人工光合作用的工序做到低成本高效率,成為足以大量生產的技術。

那麼,轉換效率要到多少,才有大量生產的可行性呢?一般植物的「太陽能轉換效率」約在0.2~0.3%,而要實現人工光合作用,得遠遠大於這個程度。2016年,日本做到植物的10倍,也就是3%(生產氫)的轉換效率,2017年又進步到3.7%。以及2021年豐田達成的7.2%。最終目標則為10%。從2012年日本政府有計畫地投入,到最新技術進展,人工光合作用研發逐步邁向目標,接近夢幻的能源未來。

作者

宋瑞文

媽媽監督核電聯盟特約撰述、加州能源特約撰述、台達電低碳生活部落格專欄寫手、QueerWatch 酷新聞駐站作家。演講講師,範圍包括福島核災、同志、日本節能等題目。台灣中島美雪介紹會住持,相關作品散見於上報關鍵評論網KKBOX等。教育廣播電台節目音樂二三事不定期來賓。男同性戀,小王。