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人類活動對地球氣候的空前影響，以及全球能源需求的持續增長，使得開發碳中和能源變得更加重要。氫氣，是一種有吸引力的和通用的能量載體，可從水中通過利用太陽光的光催化，通過太陽能或風能驅動的電解獲得。最有效的太陽能制氫方案，是將太陽能電池與電解系統結合起來，在實驗室規模下，太陽能制氫(STH)的能量轉換效率達到30%。光催化水分解的轉化率明顯較低，只有1%左右，但該系統設計更簡單、更便宜，且更易于擴大規模，前提是潮濕的、化學計量的氫和氧產品混合物，可以在現場環境中安全地處理，并回收氫氣。

在此，來自日本東京大學&信州大學的Kazunari Domen等研究者，擴展了他們先前基于改進的、摻鋁鈦酸鍶顆粒光催化劑的1平方米面板反應器系統的演示，報告了一個使用商業聚酰亞胺膜、面積達100平方米的面板反應器陣列，安全運行的幾個月時間內，其可從潮濕的氣體產品混合物中自動回收氫氣。相關論文以題為“Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100 m²-scale”于2021年08月25日發表在Nature上。

太陽能，作為一種可持續能源，其重要性預計將日益增加，利用現有的強烈太陽輻射，通過當地發電和經營規模為幾平方公里的商業太陽能發電廠，這些發電廠目前通常位于低緯度。除能源生產外，將太陽能轉化為化學品也越來越引起人們的興趣，因為太陽能往往在遠離能源需求高的地點采集，而且太陽輻射強度隨時間波動。光電輔助電化學、光電化學和光催化水分解系統，可以從水中產生太陽能氫。目前，這些技術中最有前景的是光伏-輔助電解槽，其效率高達30%，并與燃料電池相結合，使終端用戶能夠生產太陽能和太陽能燃料，以滿足其區域范圍內全年的能源需求。雖然微粒光催化劑系統的STH值要低得多，最多只有1%左右，但如果產品氣體能夠安全有效地處理，光催化劑性能的改善可能會使此類系統可行，并允許其簡單性和可擴展性得到利用。

在此，研究者探索了太陽能制氫的規?；蜌怏w處理，通過使用光催化劑片的面板反應器進行光催化水裂解。如圖1等所示，在東京大學Kakioka研究設施內，通過排列1600個反應器單元，建立了一個100平方米規模的原型光催化太陽能制氫系統。每個單元都有625 cm²的接收光面積，紫外透明玻璃窗口與光催化劑片之間的間隙調整到0.1 mm(見圖1a, b等)，以最大限度地減少水負荷，防止產品氫氧氣體積聚和著火。在該系統中，氣體產品的輸送和反應物水的輸送分別采用內徑為8.6 mm和4.0 mm的聚氨酯管。圖1c提供了100 m²的水分解光催化劑面板反應器陣列的俯視圖，該陣列由33和1/3模塊組成，各為3平方米。

在構建大型面板堆陣之前，研究者在模擬標準陽光(AM 1.5G, 1kw m^-2)持續照射下，使用小型面板堆進行了室內加速試驗。經過幾天的激活期后，在透明的平板玻璃上制作的小型光催化劑片(5 cm×5 cm)可以將蒸餾水分解成氫和氧，其STH效率為0.48%。隨著時間的延長，STH效率逐漸降低，280h后降至0.40%以下。在磨砂玻璃上制備的光催化劑片更具有活性和耐用性，活化后的STH效率為0.51%，在1600 h以上仍保持在0.40%以上(這段時間相當于7個月，每天7.6 kWh m^-2的室外日曬，或在Kakioka研究設施的氣候條件下幾乎一年)。系統表現出的激活期，可能是由于浸漬的鉻組分以Cr(III)物種的形式遷移到SrTiO₃:Al表面的Rh位點?？紤]到即使經過大約6個月的現場測試，光催化劑層的微觀結構仍然完好無損，失活可能是由于這種輔助催化劑在長期運行期間的變質。

研究發現，研究者的系統在安全性和耐久性方面進行了優化，并在回收的氫氣被故意點燃時保持無損，STH最高可達0.76%。雖然制氫效率低下，而且總體能耗低，但該研究結果表明：安全、大規模的光催化水裂解和氣體收集和分離是可能的。為了使該技術在經濟上可行和實際應用，接下來的關鍵步驟是反應器和工藝優化，以大幅降低成本，提高STH的效率、光催化劑的穩定性和氣體分離效率。

Nature：100平方米規模的光催化太陽能制氫

圖1 100平方米的水分解光催化劑面板反應器

Nature：100平方米規模的光催化太陽能制氫

圖2 光催化劑片的電子顯微鏡圖像

圖3 2020年10月2日，Kakioka研究設施連接到100平方米水分解光催化劑面板反應器的氣體分離裝置的性能

當前，面板反應堆建造的重點是足夠的穩健性，以確保長期戶外運行，而沒有考慮生產和運行成本，但任何實際相關的太陽能燃料生產系統，必須在成本上具有與現有的燃料生產競爭力的技術。因此，需要開發更簡單的反應堆，這些反應堆由輕質、廉價的材料制成，但仍能確保安全性和耐用性。

目前的系統，無法在獲得凈能量的情況下生產氫，這一發現強調了需要降低水和氣體處理的電力需求。目前的氫回收系統，是基于一種商業上可用的膜，產生的氫仍然在爆炸范圍內(4% < H₂ < 95%)，并在原料氣中留下超過20%的氫。除了優化氣體處理和操作條件，使用專門設計的泵，開發具有更好的氫滲透性和更低的氧滲透性的膜，顯然也是必不可少的。

文獻信息

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

原文鏈接：

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

Nature：100平方米規模的光催化太陽能制氫

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