Nature：100平方米规模的光催化太阳能制氢

人类活动对地球气候的空前影响，以及全球能源需求的持续增长，使得开发碳中和能源变得更加重要。氢气，是一种有吸引力的和通用的能量载体，可从水中通过利用太阳光的光催化，通过太阳能或风能驱动的电解获得。最有效的太阳能制氢方案，是将太阳能电池与电解系统结合起来，在实验室规模下，太阳能制氢(STH)的能量转换效率达到30%。光催化水分解的转化率明显较低，只有1%左右，但该系统设计更简单、更便宜，且更易于扩大规模，前提是潮湿的、化学计量的氢和氧产品混合物，可以在现场环境中安全地处理，并回收氢气。

在此，来自日本东京大学&信州大学的Kazunari Domen等研究者，扩展了他们先前基于改进的、掺铝钛酸锶颗粒光催化剂的1平方米面板反应器系统的演示，报告了一个使用商业聚酰亚胺膜、面积达100平方米的面板反应器阵列，安全运行的几个月时间内，其可从潮湿的气体产品混合物中自动回收氢气。相关论文以题为“Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100 m²-scale”于2021年08月25日发表在Nature上。

太阳能，作为一种可持续能源，其重要性预计将日益增加，利用现有的强烈太阳辐射，通过当地发电和经营规模为几平方公里的商业太阳能发电厂，这些发电厂目前通常位于低纬度。除能源生产外，将太阳能转化为化学品也越来越引起人们的兴趣，因为太阳能往往在远离能源需求高的地点采集，而且太阳辐射强度随时间波动。光电辅助电化学、光电化学和光催化水分解系统，可以从水中产生太阳能氢。目前，这些技术中最有前景的是光伏-辅助电解槽，其效率高达30%，并与燃料电池相结合，使终端用户能够生产太阳能和太阳能燃料，以满足其区域范围内全年的能源需求。虽然微粒光催化剂系统的STH值要低得多，最多只有1%左右，但如果产品气体能够安全有效地处理，光催化剂性能的改善可能会使此类系统可行，并允许其简单性和可扩展性得到利用。

在此，研究者探索了太阳能制氢的规模化和气体处理，通过使用光催化剂片的面板反应器进行光催化水裂解。如图1等所示，在东京大学Kakioka研究设施内，通过排列1600个反应器单元，建立了一个100平方米规模的原型光催化太阳能制氢系统。每个单元都有625 cm²的接收光面积，紫外透明玻璃窗口与光催化剂片之间的间隙调整到0.1 mm(见图1a, b等)，以最大限度地减少水负荷，防止产品氢氧气体积聚和着火。在该系统中，气体产品的输送和反应物水的输送分别采用内径为8.6 mm和4.0 mm的聚氨酯管。图1c提供了100 m²的水分解光催化剂面板反应器阵列的俯视图，该阵列由33和1/3模块组成，各为3平方米。

在构建大型面板堆阵之前，研究者在模拟标准阳光(AM 1.5G, 1kw m^-2)持续照射下，使用小型面板堆进行了室内加速试验。经过几天的激活期后，在透明的平板玻璃上制作的小型光催化剂片(5 cm×5 cm)可以将蒸馏水分解成氢和氧，其STH效率为0.48%。随着时间的延长，STH效率逐渐降低，280h后降至0.40%以下。在磨砂玻璃上制备的光催化剂片更具有活性和耐用性，活化后的STH效率为0.51%，在1600 h以上仍保持在0.40%以上(这段时间相当于7个月，每天7.6 kWh m^-2的室外日晒，或在Kakioka研究设施的气候条件下几乎一年)。系统表现出的激活期，可能是由于浸渍的铬组分以Cr(III)物种的形式迁移到SrTiO₃:Al表面的Rh位点。考虑到即使经过大约6个月的现场测试，光催化剂层的微观结构仍然完好无损，失活可能是由于这种辅助催化剂在长期运行期间的变质。

研究发现，研究者的系统在安全性和耐久性方面进行了优化，并在回收的氢气被故意点燃时保持无损，STH最高可达0.76%。虽然制氢效率低下，而且总体能耗低，但该研究结果表明：安全、大规模的光催化水裂解和气体收集和分离是可能的。为了使该技术在经济上可行和实际应用，接下来的关键步骤是反应器和工艺优化，以大幅降低成本，提高STH的效率、光催化剂的稳定性和气体分离效率。

Nature：100平方米规模的光催化太阳能制氢

图1 100平方米的水分解光催化剂面板反应器

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图2 光催化剂片的电子显微镜图像

图3 2020年10月2日，Kakioka研究设施连接到100平方米水分解光催化剂面板反应器的气体分离装置的性能

当前，面板反应堆建造的重点是足够的稳健性，以确保长期户外运行，而没有考虑生产和运行成本，但任何实际相关的太阳能燃料生产系统，必须在成本上具有与现有的燃料生产竞争力的技术。因此，需要开发更简单的反应堆，这些反应堆由轻质、廉价的材料制成，但仍能确保安全性和耐用性。

目前的系统，无法在获得净能量的情况下生产氢，这一发现强调了需要降低水和气体处理的电力需求。目前的氢回收系统，是基于一种商业上可用的膜，产生的氢仍然在爆炸范围内(4% < H₂ < 95%)，并在原料气中留下超过20%的氢。除了优化气体处理和操作条件，使用专门设计的泵，开发具有更好的氢渗透性和更低的氧渗透性的膜，显然也是必不可少的。

文献信息

Ma, W., Hu, G., Hu, D. et al. Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals. Nature 596, 362–366 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03755-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03755-1

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原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2021/08/25/e9e33cc779/

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