光催化超级大牛最新Nature！

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研究背景

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。氢是一种有吸引力且用途广泛的能量载体（以及重要且广泛使用的化学物质），可通过使用阳光的光催化以及通过太阳能或风能驱动的电解从水中获得。最有效的太阳能制氢方案是将太阳能电池与电解系统相结合，在实验室规模下可实现 30% 的太阳能到氢气 (STH) 能量转换效率。然而，光催化分解水的转化效率是很低的，仅为 1% 左右，但系统设计要简单得多、成本更低，而且更易于放大（前提是湿的、化学计量的氢和氧混合物可以在现场环境安全处理以及氢气可回收）。

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研究问题

本文扩展之前的方案——基于改性的掺铝钛酸锶微粒光催化剂的1平方米面板反应器系统，结果显示：100 平方米的面板反应器阵列在几个月内可以安全运行，并使用商用聚酰亚胺膜从潮湿的气体产物混合物中自主回收氢气。该系统针对安全性和耐用性进行了优化，并且在有意点燃回收的氢气时保持完好无损，达到了0.76% 的最大 STH。虽然氢气生产效率低下且总体上是放热反应，但本文的研究结果表明，安全、大规模的光催化水分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且实用，接下来的关键步骤是反应器和工艺优化，以大幅降低成本并提高 STH 效率、光催化剂稳定性和气体分离效率。

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图文分析

▲图1|100平方米规模水分解光催化板式反应器。

要点：

● 本文通过使用光催化面板反应器的光催化分解水来进一步扩大太阳能氢气生产的规模和气体处理。如图1所示，在东京大学的鹿冈研究设施通过排列1600个反应堆单元建造了一个100平方米规模的光催化太阳能氢气生产系统的原型机。每个单元的受光面积为625平方厘米，紫外光透明玻璃窗和光催化板之间的间隙调整为0.1毫米(见图1a，b)，以最大限度地减少水负荷，并防止产物氧氢气体的积聚和着火。在该系统中，气体产物输送和反应物水输送分别使用内径为8.6 mm和4.0 mm的聚氨酯管。

● 图1c提供了100平方米的分水式光催化器板反应器阵列的俯视图，该阵列由33个模块和1/3个模块组成，每个模块的面积为3平方米。

▲图2|光催化剂薄片的电子显微镜图像。

要点:

● 在透明玻璃片上手工制备光催化剂片和在磨砂玻璃片上使用程序喷涂系统制备光催化剂片。前者于2019年8月安装，使用至2020年7月，之后在没有更换其他系统部件的情况下更换为后者。涂布后，颗粒层覆盖整个玻璃板表面，厚度在整个玻璃板上从4到10μm变化(图2)。随着光催化剂层负载量的增加，水的分解速率迅速饱和。光催化层包含数百纳米大小的改性SrTiO3：Al颗粒，并被在颗粒间空隙中形成介孔通道的二氧化硅纳米颗粒固定(图2c)。

▲图3|2020年10月2日，Kakioka研究设施与100平方米水分解光催化板式反应器相连的气体分离装置的性能。

要点：

● 过滤元件由一束中空的聚酰亚胺纤维组成，这些纤维对氢的渗透率比水蒸气的渗透率低，但比氧的渗透率高约10倍。膜分离器的工作原理是隔膜泵提供的吸力，膜上的压差几乎为100kPa。膜装置和隔膜泵处理气体产品的能力超过了气体析出速率，因此该装置只需间歇运行即可分离氢气(图3a)。富氢滤液气体在常压下由隔膜泵排出，而剩余的富氧气体则从滤筒中排出。

● 图3b绘制了2020年10月2日整个晴天期间进料、滤液和残渣气体的累积量，其中不定期的气体成分分析结果如滤液和残渣曲线所示。分水板反应器中太阳光照强度和气体析出速率的变化如图3c所示。光催化板式反应器的产气率随天气条件的变化而迅速变化。在106.9 kPa的大气压和24.4℃的环境温度下收集的全天湿氢气总进料量为970L。由于原料气中氢和氧的摩尔比为2.0，水的饱和蒸气压约为3.0kPa，因此收集到的产物气体中含有27.2mol的氢。膜分离得到505L饱和水蒸气的富氢滤液，氢氧摩尔比平均大于94%，氢产率为19.9mol。因此，即使本文使用的商用膜不是为氢氧分离而设计的，氢回收率也达到了73%。在整个现场测试过程中，气体分离膜装置运行正常，没有恶化迹象，且与不同天气条件下湿氢氧气体的产量变化无关。

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结语

本文的研究结果表明，通过光催化分解水原理将太阳能制氢规模扩大到100平方米(迄今报道的最大太阳能制氢单位)是可行的，原则上可以在不降低效率的情况下进一步扩大规模。但是，尽管本文的系统由于其庞大的尺寸而提供了迄今为止最高的太阳能氢气产量，但效率很低，而且STH值远远低于光伏辅助电解水器所能达到的水平。

来源：研之成理