一箭双雕-东工大开发，实现CO2和废弃太阳能电池板的双循环

新闻要点：

催化剂条件下，实现还原CO2制造甲酸、甲醇等高附加价值化合物

利用太阳能电池板制造过程中排放的废弃硅作为还原剂

有望同时实现 CO 2的资源化和太阳能电池板的回收利用

研究概要：

日本东京工业大学的研究小组本倉健教授团队利用催化剂成功地把CO2还原成甲酸，甲醇等。最重要的是，太阳能电池板制造过程中排放的硅可用作该反应的还原剂。未来，有望成为同时实现CO2回收和太阳能电池板回收的技术。

研究背景：

由于可再生能源的大量引入，对硅基太阳能电池板的需求急剧增长。太阳能电池板的使用寿命大概为30年，预计在2050年左右，全球将会有 60 至 78 兆吨的太阳能电池板被丢弃，开发可回收的方法尤为重要。现状就是，太阳能电池板中Si的重量占比为2%~3%，但尚未明确其回收方法。

东京工业大学的团队，利用太阳能电池板制造过程中排放的硅片作为还原剂，成功地建立了将CO2转化为有机资源的催化反应，有望实现二氧化碳和废弃太阳能电池板的双循环。

如图 1 所示，将CO 2合成化学品与硅循环过程相结合。这种催化反应不仅有助于有效利用CO 2建立碳中和社会，而且可能会为废弃太阳能电池板提供一种有价值的回收方法。

图 1. (A) 未来的Si，CO2循环模式 (B) 太阳能电池板处置的现状

研究成果：

减少和有效利用二氧化碳（CO 2 ）排放是2050年实现碳中和的紧迫问题。在这项研究中，我们成功地创建了将CO 2转化为甲酸和甲醇的催化反应。甲酸是一种重要的有机化合物，用作各种化学品的原料作为防腐剂和杀菌剂，甲醇作为核心工业原料。

为了将CO 2转化为这些有机物质，需要使用催化剂和还原剂。在本研究中，该团队发现，太阳能电池板制造过程中排放的硅片（金属硅）可用作还原剂.。毫不夸张的说，我们可以利用废弃的二氧化碳和废弃的金属硅合成附加价值很高的化学品，比如甲酸和甲醇（图2）。

图2. 使用 TBAF 催化剂由CO 2和硅粉合成甲酸和甲醇

该研究团队发现，将粉碎了的Si基板和一定量的催化剂四丁基氟化铵（TBAF）混合，在150 条件下加热，CO2被还原生成了乙酸，其中乙酸的收率高达68%。反应容器中投入的CO2，有70%转换了成了乙酸。通过进一步研究反应条件，我们成功地从CO 2合成了高达20微摩尔的甲醇。发现这些反应在不添加 TBAF 的情况下根本不会进行，而氟化物是一种重要的催化剂。

表1展示了金属硅与CO 2反应以减少CO 2的现有报道与本研究比较结果。所有现有的报告都需要制备硅纳米颗粒。还需要添加比硅重量大 37 至 2.2 倍的氟化氢 (HF)，以激活硅表面。另一方面，在这项研究中，可以使用废弃的硅晶片，并且使用稳定的氟化盐代替 HF 。

表 1.本研究与以往方法的比较

此外，为了确认生成的甲酸和甲醇是来自CO 2的碳，使用同位素13 C取代的13 CO 2进行催化反应。观察到含有13 C的有机产物（图 3）。

图 3.使用稳定同位素13 C确认甲酸碳原子来源于原料中的CO2

催化反应完成后，回收固体残渣，进行X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)测试。作为这些分析的结果，证实了金属硅被氧化，并且在残渣的表面上形成了Si-F键。推测通过TBAF的氟离子与Si表面进行反应，生成中间体Si-H和Si-F，进而和CO2反应生成甲酸反应机理（图4）。

图4. 可能的反应机理

写给未来：

我们将把这项研究的成果开发为一种新的催化反应，就是同时兼备解决CO2资源化和废弃太阳能电池板回收等问题。

论文详情

杂志 : Energy Advances

论文题目 : Catalytic Reduction and Reductive Functionalisation of Carbon Dioxide with Waste Silicon from Solar Panel as the Reducing Agent

作者 : Ria Ayu Pramudita, Kaiki Nakao, Chihiro Nakagawa, Ruopeng Wang, Toshimitsu Mochizuki, Hidetaka Takato, Yuichi Manaka, Ken Motokura*

DOI : 10.1039/d1ya00077b