为实现将温室气体排放实质净零的碳中和目标，各项研发目前正在持续推进之中。日本横滨国立大学研究生院工学研究院的本仓健教授正在尝试利用太阳能电池板中的硅，把从火力发电厂排放的二氧化碳（CO₂）转化为有用物质的“升级再利用”，以实现资源循环型社会。本仓教授的设想可同时解决二氧化碳排放与不久的将来便会大量出现的太阳能电池板废弃两大问题。
本仓 健
横滨国立大学 研究生院工学研究院 教授
2023年起担任ALCA-Next研究负责人
即将到来的“大量废弃时代”
聚焦还原性强的硅材料
作为全球变暖对策之一而普及的太阳能发电，不久的将来达到使用寿命的太阳能电池板如何回收再利用问题快速呈现在人们面前。太阳能电池板的使用寿命约为20～30年左右，预计到2030年代后期，因电池板更新而需要的拆除处理将全面展开。目前，虽已有技术可从废旧电池板中分离回收玻璃、铝边框、金属等部件，但主要成分硅的回收方法尚未确立，现状基本是被直接废弃（图1）。
图1 硅样品。实际从太阳能电池板中回收得到的硅材料形状各异，既有肉眼可见的杂质，也有原子尺度的微量杂质。
另一方面，为实现碳中和，回收CO₂并将其资源化的技术正受到关注。其中一项举措便是将回收的CO₂转化为有用资源的“CO₂捕集、利用与封存（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage: CCUS）”做法。例如，有研究将CO₂与氢气反应转化为一氧化碳、甲醇等有用物质，但CO₂是碳原子与氧原子紧密结合的高度稳定分子，反应性较低，其转化需要大量能量的问题有待解决。
作为解决对策，横滨国立大学的本仓健教授将目光投向了硅（Si）。从二氧化硅（SiO₂）中精炼出来的太阳能电池板用硅，生产过程投入大量的能量，处于高能状态，因此有望发挥超越氢气的还原剂功能。研究团队正利用这一特性，开发以更低能耗实现CO₂转化反应的技术。
另外，为了高效推进上述反应，能够激发硅材料特性的催化剂设计也至关重要。因为催化剂会2030年代后期反应路径和生成物。本仓教授的目标是，在降低能耗的同时，将CO₂转化为高附加值化学品，实现“升级再利用”（图2）。
图2 本仓教授提出的资源循环过程。利用废弃硅和氟化物催化剂将CO₂转化为甲酸或甲醇，有助于回收硅制造时投入的能量，并减少CO₂排放。
发现催化剂并探讨作用机制
同时探索副产物的应用
本仓教授于2022年以四丁基氟化铵（TBAF）为催化剂，成功从CO₂和高纯度硅粉末生成了甲酸和甲醇。甲酸可用于防腐剂和清洗剂，甲醇可用作塑料原料和燃料。
研究团队还尝试了利用实际太阳能电池板的硅晶圆粉碎后得到的粉末进行实验。结果发现，同样以TBAF为催化剂，在充满CO₂的容器中将粉末与水混合并在100℃下加热，可生成甲酸。研究团队使用了含有碳同位素¹³C的CO₂进行实验，确认生成的甲酸中含有¹³C，从而证实这些碳原子来源于CO₂。
以往已有多项研究报告过，可利用硅与二氧化碳反应生成一氧化碳、甲醇。但此类研究均采用自行制备的硅纳米颗粒，且需使用大量氟化氢对硅表面进行处理，不仅需要严苛的安全管控，技术上也存在难以落地产业化应用的弊端。与之相对，本仓教授的方法优势在于，仅需使用源自太阳能电池板的硅以及少量TBAF即可推进反应进行。
那么，这一催化反应是如何发生的呢？研究团队回收了反应后残留的固体，进行了X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）测定。分析结果发现，投入的硅被氧化，固体表面形成了微量的硅-氟键（Si-F键）。
基于此，本仓教授等设想的化学反应机理如下（图3）：首先，TBAF中含有的氟离子与硅发生作用，切断表面的硅表面的硅–硅键。随后与水发生反应，在硅表面形成硅氢键（Si-H键）以及硅氟键（Si-F键）。其中，硅氢键还原二氧化碳生成甲酸，同时硅氟键与氢氧根离子发生反应，氟离子作为催化剂被重新释放出来。
图3 本仓教授等设想的由CO₂与硅反应生成甲酸的反应机理。作为催化剂的TBAF中的离子（F⁻）破坏硅表面的硅–硅键，促进Si-H键形成，从而CO₂被还原生成甲酸。
能够完成上述分析，得益于本仓教授长期从事催化研究的优势。催化剂大致分为与原料一同溶于溶剂的均相催化剂，以及不溶于溶剂、以固体形式发挥功能的非均相催化剂两类。过往CO₂与有机硅化合物反应的知识多来自于均相催化领域，而本次对硅表面的分析则运用了非均相催化剂技术。本仓教授表示：“正是因为研究室同时具备均相催化与非均相催化两大研究角度，才得以取得此次的研究成果”。
另一方面，该反应也存在尚未阐明之处。理论上，催化反应应当只发生在硅表面，但实际上，随着反应的进行，硅粉末会转变为内部具有微细孔道的多孔二氧化硅。本仓教授列举了今后的课题：“必须查明为何反应会深入到内部。同时，目前我们正在研究能否将这些多孔二氧化硅用作吸附剂或其他催化剂。”
验证拆解现场与实验室的差异
确认甲酸生成率达70%以上
本仓教授接下来挑战的是，验证使用从废弃太阳能电池板回收的硅以及实际来自于废气所含的CO₂能否合成出甲酸。首先，研究人员准备了多个从太阳能电池板分离出的硅样品，研究是否能由CO₂转化为甲酸。结果显示，有部分样品完全未能生成甲酸。为调查原因，研究人员对样品开展X射线光电子能谱（XPS）分析，最终查明这些反应活性较低的样品，其表面存在铝（Al）杂质。
于是，研究人员使用盐酸（HCl）去除铝杂质后，所有硅样品均能生成甲酸（图4）。本仓教授谈及实验室实验与现场实际情况的差异时表示：“从太阳能电池板分离硅的方法有多种，分离得到的硅材料形态也各不相同。这让我深切感受到，实地考察太阳能电池板拆解工序和现场情况，并用真实物料开展验证工作十分必要。”
图4 盐酸处理前（蓝色圆点）与处理后（橙色方块）的甲酸生成量。Si-1、Si-2、Si-3、Si-4为4种废弃硅样品。表面铝含量高的Si-2和Si-3经盐酸处理后，甲酸生成量实现了提升。
实验中使用的废气，得到了合作研究方电源开发株式会社（J-POWER）矶子火力发电厂（横滨市）的协助（图5）。本仓教授笑着回忆当时的情景表示：“我与学生一同登上数十米高的烟囱收集废气。站在作业点往下看时，因高度太高腿都软了，现在想起来还挺难忘的”。
图5 利用废弃硅与工业废气开展实验得出的结果。无论是将废气收集至储气罐使用，还是在现场直接通入反应器，均证实能够生成甲酸。
将收集到储气罐中的废气加压至9个大气压，使其与废弃硅反应，结果确认生成了甲酸。此外，将火力发电厂的废气直接通入反应器时，也获得了甲酸。无论哪种情况，CO₂转化为甲酸的比例均超过70%，可以说这是接近实用化的成果。
兼顾社会需求与环境友好
面向社会实用化的课题与展望
关于实用化，本仓教授表示从技术是否符合社会需求的角度进行验证至关重要。其中经济性是一个重要要素。目前反应效率、生成的甲酸进一步分离纯化等环节仍有优化的余地，探索兼顾性能与成本的高性能催化剂是今后的课题。
此外，作为另一个重要的视点，关于CO₂排放收支，不仅需要评估从CO₂和硅生成甲酸的过程，还需要评估从原料采购到制造、流通、使用、废弃、回收的全过程的环境负荷。例如，从废弃太阳能电池板回收硅或运输硅时也会排放CO₂，必须将这些环节也考虑在内。关于定量评估全过程环境负荷的“生命周期评估（Life Cycle Assessment: LCA）”，本仓教授表示希望与LCA领域的专家共同推进验证。本仓教授还表示：“今后需要实现反应过程的规模化，仅靠大学实验室的验证还存在局限。我们希望与废弃物处理企业、提供废弃硅的企业等众多企业共同推进合作。”这类举措不仅限于从CO₂生成甲酸或甲醇的技术。以往，无机（金属）资源的循环和碳资源的循环，都是在各研究人员的专业领域内封闭进行的。尝试使作为无机资源的硅与作为碳资源的CO₂发生反应，将开辟资源循环的新途径，由此也可能启发除CO₂以外，各种碳资源与废弃硅之间的新反应。
本仓教授表示研究团队还在致力于开发升级回收反应，例如利用废弃硅还原生物质等多种碳资源，将其转化为基础化工原料与燃料。通过结合无机资源与碳资源的循环利用，向着产生新价值的社会迈进，本仓教授的挑战还在继续。
（TEXT：岛田祥辅、PHOTO：岛本绘梨佳）
原文：JSTnews 2026年5月号
翻译：JST客观日本编辑部
