【文献解读】Nature Sustainability: 太阳能驱动固体废弃物重整，实现可持续发展

全球每年约有70%的城市固体废物被填埋或丢弃在环境中，这是不可持续经济体系的一个标志，在这样的体系中材料和能源被不断生产、使用然后迅速地丢弃。太阳能驱动的光重整技术能够通过同时实现废弃物的回收和可再生氢能源的生产来帮助我们打破这个线性模式。

近日，来自剑桥大学的Erwin Reisner教授等人综述了光重整技术在实际废弃物利用流程中的优势和挑战。通过回顾相关的光重整文献以及结合基本的技术经济、生命周期评估，确定了在实现碳中性过程中增加光重整技术影响的关键问题。

背景

当今的工业化经济体的特点之一就是在资源开采、消费、处理上采取“take-make-waste(取-用-废)”的线性模式。虽然这种线性模式有财政刺激的影响，但是如果我们想保护目前有限的自然资源、减少温室气体的排放就必须在材料和能源的生产、使用模式上做出迅速的转变。能源消耗领域（包括电力、燃料、加热、运输）占了人为温室气体排放的55%，可再生能源(太阳能、风能、水能、生物能)在发电中发挥着越来越大的作用，但是由于他们存在间断性和无法产生燃料的问题，导致其在全球能源生产中的贡献低于10%。氢气作为一种重量轻、可储存、比能量密度高的能量载体能够很好的解决这一问题，不论从零排放燃料、加热还是工业合成肥料及其他化学品，氢气都是理想原料。然而目前96%的氢气（约70 Mt/yr）都是通过化石燃料的蒸汽重整生产的，由此造成的二氧化碳排放高达到830 Mt/yr。所以，在氢气能够为可持续的能源系统做出贡献前，必须解决其可再生的生产问题。

据估计，每年工业过程中会损失21Gt材料，生活消费还会产生2Gt城市垃圾，其中60%-80%的废弃物没有经过循环利用、堆肥或者再利用。光重整能够利用废弃物作为原料生产氢气，是解决目前废弃物问题和能源挑战的一种途径。该过程利用光催化剂吸收阳光中的能量，使水分解成小的有机物分子和氢气。自上世纪80年代首次被报道以来，大部分该领域的研究都依赖乙醇、甘油、单糖等“模型废弃物“，本篇综述中主要关注光重整实际废弃物。

1、光重整的科学原理

光重整涉及太阳能驱动水分解和有机催化氧化过程。水分解作为一个非自发化学反应包括水的还原产氢和氧化产氧（吉布斯自由能ΔG₀ = +237 kJ/mol）。该反应受限于能量和动力学要求严苛的产氧反应，研究人员常引入昂贵的电子供体牺牲剂来解决这一问题。相比之下，有机光氧化反应通常是自发反应，氧气作为电子受体，促进了有机分子氧化为二氧化碳、水和其他产物。

光重整反应通过半导体光催化材料将水的还原和有机物氧化结合在一起，在厌氧条件下，光催化剂中的电子被阳光激发到导带，使水中的H⁺还原成氢气，催化剂价带的空穴和有机底物反应生成二氧化碳或者中间产物（Fig. 1）。为了使光重整反应实现，要求入射光能量高于半导体的带隙，导带必须比H⁺还原至H₂的电位更负，价带必须比底物的氧化电位更正。

2、废弃物作为光重整的原料

通常光重整的原料底物是CxHyOz形式的含氧有机分子，也可以含有N、P、S。对简单分子的研究表明，光重整容易作用于含有以下特点的底物：低络合度、高极性/亲水性、水溶性以及含有容易吸附在光催化剂表面的官能团（如羟基）。

全球的垃圾的平均构成以食物和生物质（46%）、纸张和纸板（17%）以及塑料（12%）为主，玻璃、金属、橡胶等废弃物占剩余的25%（Fig. 2b）在这些成分中，一些生物质、食物、塑料、纸张、纸板是由含氧有机物组成，所以约70%的生活垃圾可以用于光重整反应。其中非粮生物质是最丰富的，这些生物质是由木质纤维素构成的，而木质纤维素中纤维素和半纤维素由于都是长糖链组成，极性高、羟基含量高，相对容易进行光重整反应。而木质素作为复杂的疏水性聚合物，其光重整反应十分具有挑战性。这类生物质总体的光重整利用率约在55-95%。可食用的生物质化学组成十分复杂，比如谷物中含有碳水化合物，肉类中主要含有蛋白质和脂肪，而光重整反应利用脂肪难度较大，导致食品类光重整的利用率差异较大在10%-80%。塑料在全球废物中占比相对小（302 Mt/yr），其中烃类链塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯等不容易重整，剩下的16-17%的含氧塑料可以进行重整。如果上述生物质、食品、塑料全用于光重整，每年理论上最多可生产310-650 Mt氢气，相当于全球能耗的6-13%。

3、光重整的可行性

模拟一个每天处理100-300公斤成熟固体废弃物的工厂，优化参数，考察成本、碳足迹、水足迹、土地使用和能量投资回报等指标，发现光重整技术亟需解决以下四个关键问题：

1. 将光重整效率提高50倍以上

2. 催化剂可重复性大于1年，

3. 需要较少的化学品和低能耗的预处理方式处理高浓度的废物

4. 对高附加值产品有较高的选择性。

光重整技术与其他废弃物转化成燃料的技术相比具有反应温度低、能耗低、与湿垃圾相容性好、氢气能源清洁、反应装置简单等优势。

4、未来的研究方向

未来光重整有五个关键领域，首先，提高废物原料的溶解性，采用更少的化学品、更少的能耗进行预处理。第二，设计更高效、更耐用的光催化剂，产氢效率高于4mmol/g/h，每日转化率大于50%，外部量子效率大于50%。并且具有一年以上的耐用性，而且可以从溶液中回收。第三，光反应器的发展和设计对光重整效率的提高至关重要。第四，光重整反应高选择性生产高附加值化学品，最后，扩展光重整反应，只用于氢气的产生，还要成为二氧化碳还原、固氮、甚至是从废水中回收金属等反应的平台。

总结

人类可以通过将废弃物转化为再生能源和营养物质进行化学循环、发展循环经济。光重整可以利用太阳能将废弃物中的许多成分，特别是生物质、食物、塑料转化为氢燃料和有机化学品。对光重整进行初步的技术经济和生命周期评估发现，尽管在理想的工业应用之前还需要进一步改进生产成本和能源平衡，其碳足迹已经低于现有的制氢、废物转化为燃料的方法。确定了影响经济和环境可行性的主要因素有基质的预处理、浓缩、光催化的效率和耐久性、水的使用和有机化学品的生产。随着技术的不断发展，光重整不仅在生产清洁燃料、减少废弃物领域具有潜力，还有助于实现零碳未来的材料和能源的循环和可持续流动。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-020-00650-x

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