催化红外技术的发展对能源领域产生了多方面的积极影响,主要体现在以下几个方面:
一、提高能源转化效率
1.光催化领域:通过开发可见 - 近红外光响应的光催化材料,如石墨相氮化碳 / 石墨烯量子点复合材料,可将光催化的光谱响应范围拓展至近红外光区域,利用占太阳光谱约一半的近红外光能量,从而提高太阳能到化学能的转化效率,例如在光解水制取氢气和二氧化碳还原等反应中表现出更高的活性。像东南大学团队开发的能高效利用近红外光的光催化系统,实现了生物质的高效定向转化,将原来两步反应并为一步,高选择性高产率制备高附加值的化工原料3。
2.光电领域:对于太阳能电池,红外光到可见光的上转换技术可使器件有效利用阳光中大量的低能量红外光子。例如,中国科学院大连化学物理研究所团队实现的低毒性量子点敏化的近红外至可见上转换,并与有机光催化融合,有望颠覆性地提升太阳能转换效率5。
二、助力能源清洁化
1.氢气制取:利用催化红外技术可以实现更高效的水分解制氢以及可控的析氢反应。如杭州师范大学团队利用石墨烯量子点对红外光的上转换功能,实现材料在红外光下催化水裂解,提升了太阳能到氢能的转化效率。淮阴师范学院能源催化团队制备的高熵 CoCaMgMnAlFe - LDHs 催化剂,在红外光照射下可实现 NaBH₄溶液可控的析氢反应,为氢气制取提供了新的途径4。
2.二氧化碳转化:催化红外技术有助于将二氧化碳加氢转化为甲烷等燃料,实现二氧化碳的资源化利用,减少温室气体排放,如通过红外上转换机制实现光激发电子从石墨烯量子点到二氧化钛的传递,从而在红外光下实现二氧化碳催化加氢制甲烷。
三、降低能源生产和利用成本
1.燃气催化式红外加热技术:该技术使天然气直接转化为红外线,与传统的电红外技术相比,可节能约 50%,且具有高效、洁净、低价的优点1。在工业应用中,如油漆烘干、气田井口采气树减压阀加热、皮革加工、食品加工等领域,能显著降低能耗,节约成本1。
2.光催化技术:随着高效光催化材料的研发和光催化系统的优化,利用太阳能进行光催化反应生产燃料和化学品的成本有望逐渐降低,使光催化技术在能源生产领域更具经济竞争力。
四、推动能源相关材料研发
1.催化剂研发:催化红外技术为研究催化剂的结构和性能提供了有力手段,通过红外光谱可以研究催化剂表面的官能团、活性中心以及电子结构等信息,帮助优化催化剂的组成和制备工艺,开发出更高效、稳定且成本低廉的催化剂,如用于光催化、电催化、热催化等反应的新型催化剂。
2.其他能源材料研发:在能源存储材料、电极材料等方面,催化红外技术也可用于研究材料的表面性质和反应机理,为材料的设计和改性提供指导,提高能源存储和转化设备的性能。