UNIST利用废旧光伏硅高效同步制备氢气和高附加值二氧化硅工艺问世
去除阻碍反应的二氧化硅薄膜 氢气产量接近理论极限值…刊登于《Joule》
在首批光伏发电一代组件陆续报废的背景下，一项利用光伏废旧组件中的硅，同时生产高纯度氢气和高附加值化学材料的技术问世。
由于担心二次环境污染，废旧光伏组件难以填埋，高温焚烧也并不容易，因此这项技术因能够以经济且环保的方式处置光伏废旧组件而备受关注。
蔚山科学技术院（UNIST）能源化学工程系研究团队表示，团队开发出一种高效工艺，利用废光伏组件中的硅，同时生产高纯度氢气和高附加值工业材料二氧化硅，并于6日对外公布。
研究团队（自左起）包括 Baek Jongbeom 教授、Lim Hangwon 教授、Lianhuo Xiao 研究员（第一作者）、Lunan Guan 研究员（共同第一作者）、Gu Jiwon 研究员（共同第一作者）。UNIST 提供
View original image硅与水反应可以生成氢气和二氧化硅。但在实际过程中，一旦反应开始，硅表面立即形成的二氧化硅薄膜会阻挡水进一步接触，使反应停止。因此，氢气产量远远低于理论最大产量。
研究团队在不使用强腐蚀性药剂的前提下，开发出一种能够去除这一二氧化硅膜的工艺，使高纯度氢气的产量最高可提高至原有工艺的5倍。其原理是将硅与水一同放入装有小球的容器中滚动，通过小球与硅颗粒不断碰撞，反复破坏并剥离二氧化硅保护膜。
实验结果显示，每1克商用硅大约可生成1706毫升氢气，相当于理论最大产量（1713毫升/克）的99.6%。与一般热化学方式仅能达到理论最大值约18～28%的水平相比，氢气生产效率最高提高了5倍。
在使用直接从废旧光伏组件中获得的硅粉进行实验时，氢气产量也达到了理论最大值约98%的水平。
同时生成的二氧化硅作为催化剂载体也表现出优异性能。载体是一种用于使催化剂中的活性金属颗粒均匀分散并固定其位置的材料。使用所生成二氧化硅制备的镍催化剂，在将二氧化碳转化为甲烷的化学反应中，其二氧化碳转化率和甲烷选择性均高于使用商用二氧化硅作为载体的催化剂。分析认为，这是因为二氧化硅表面存在大量羟基（-OH），可使催化剂颗粒分散得更好。
从经济性来看，即便完全不计入副产物二氧化硅带来的收益，该工艺的氢气生产单价也比现有热化学方式便宜数十倍到数千倍。如果再加上销售二氧化硅的利润，则有舆论分析认为，随着氢气产量增加反而能够获得收益的“负成本结构”也有望实现。
此外，与每次间歇操作的批量工艺相比，在连续运转设备的连续式工艺中，产量和能源效率大幅提升，今后直接应用于大规模工业现场也更加便利。
Baek Jongbeom教授表示：“这项技术的优势在于，利用废旧光伏组件中的硅，以环保方式生产氢气的同时，还能获得具有工业应用价值的二氧化硅”，“这将有助于把难以处置的废旧光伏组件转变为高附加值资源，为构建资源循环经济发挥重要作用。”
研究成果已于3月27日在线发表在能源领域顶级学术期刊《Joule》上，而作为该工艺核心的机械化学工艺则于3日被《Joule》旗下“未来能源”（Future Energy）栏目介绍。“未来能源”是一个探讨面向可持续未来的潜在能源技术及其产业化可能性的策划专栏。Baek教授团队应《Joule》邀请介绍了相关技术。
本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团等机构的支持下完成。
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