99精品国产成人一区二区,成人av无码亚洲欧美精品23区,高潮迭起AV乳颜射后入

研究背景

在多相光催化中，收集太陽能對于有效產生可再生能源、減少碳排放和修復水污染至關重要。為了有效地擴大光催化的規模，除了光催化劑的固有活性之外，還需要考慮幾個額外的因素，特別是光催化系統的設計。

近年來，固定化光催化劑反應器如顆粒片型、膜型和平板型等被提出用于提高光催化效率。然而，這些平臺仍然有許多實際的局限性，包括對光電極和強制對流的額外要求，產品分離過程中潛在的逆反應，光催化劑的連續浸出，以及與緊密堆積的光催化劑之間的傳質不良。

采用水凝膠作為大孔基質固定光催化劑可以防止催化劑的浸出，增加催化劑負載能力，改善傳質。因此，與使用緊密堆積的光催化劑薄膜的系統相比，嵌入在水凝膠中的光催化劑具有提高光催化效率的潛力。此外，水凝膠基質具有靈活性，可以容納各種類型的納米級填充材料，這保證了水凝膠納米復合材料與各種光催化填充材料的廣泛適用性。

成果簡介

在非均相光催化作用下以化學鍵形式儲存太陽能是可持續能源轉換的理想選擇。盡管近年來在設計高活性光催化劑、低效太陽能和傳質方面取得了進展，但催化劑的不穩定性和逆反應阻礙了它們的實際大規模應用。

為了解決這些問題，近日，韓國基礎科學研究院Dae-Hyeong Kim教授和Taeghwan Hyeon教授等人設計了一種由多孔彈性體-水凝膠納米復合材料構成的可浮式光催化平臺。在空氣-水界面處的納米復合材料具有高效的光傳輸，易于供水和瞬時氣體分離的特點。因此，即使沒有強制對流，Pt/TiO₂冷凍氣凝膠也可以達到163 mmol h^-1?m^-2的高析氫速率。當在1平方米的面積上制造并加入經濟上可行的單原子Cu/TiO₂光催化劑時，納米復合材料在自然光下每天產生79.2毫升的氫。

此外，在海水和高渾濁水中的長期穩定制氫和聚對苯二甲酸乙二醇酯的光重整證明了納米復合材料作為一種商業上可行的光催化系統的潛力，這項工作以“Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production”為題發表在國際頂級期刊《Nature Nanotechnology》上。

Nature Nanotechnology里程碑突破！光催化產氫，實現大規模應用！

圖文導讀

圖1. 可浮性光催化納米復合材料概述

圖2. 納米復合材料的材料設計與表征

為了解決這些問題并最大限度地提高光催化活性，作者提出了一種使用多孔彈性體-水凝膠納米復合材料的可浮式光催化平臺。懸浮納米復合材料位于空氣-水界面，具有高效的光傳輸、易于氣體分離和減少H₂反氧化的特點。

將光催化劑固定在多孔彈性體-水凝膠混合物中，并對材料組分進行額外的工程設計，可以提供出色的反應物供應，實現高可浮性，防止催化劑浸出，并提供長期的材料穩定性。這些獨特的優勢得到了實驗和理論的驗證，并證明了大規模的太陽能制氫。從產品回收率、成本、性能和可擴展性的角度來看，可浮性納米復合材料在太陽能制氫方面具有實際優勢。

納米復合材料具有雙層結構(圖1a)。上層是由親水性聚氨酯(HPU)和聚丙二醇(PPG)聚合物以及光催化劑組成的光催化層。下層是支撐層，由相同的HPU和PPG骨架聚合物組成，使納米復合材料保持懸浮狀態。可漂浮的納米復合材料將上層光催化層暴露在水面之上，既能以最小的水致光衰減(圖1a(i))高效地傳遞光，又能輕松分離生成的H₂氣體(圖1a(ii))。

催化層頂部的疏水二氧化硅氣凝膠通過增強納米復合材料的表面張力，最大限度地提高了可浮性，并減少了下沉的機會(圖1a(iii))。此外，高度耐用的彈性體-水凝膠(HPU-PPG)復合材料可以長時間固定光催化劑并保持活性(圖1a(iv))。由于反應物(水)和生成物(H₂)的質量流由下向上，可浮性納米復合材料有利于氣體分離，抑制H₂的反氧化(圖1a(v))。納米復合材料的高孔隙率和親水性也在為光催化劑提供容易獲得水的途徑方面發揮了關鍵作用(圖1a(vi))。

納米復合材料的可漂浮性(圖2a)有望產生獨特的特性，有利于光催化，如高效的光傳遞和容易的氣體分離，以及抑制H₂的反氧化。因此，為了獲得高可浮性，通過最小化光催化劑的密度來降低納米復合材料的總密度(圖2b)。具體來說，作者通過快速冷凍技術將所有組分中最重的Pt/TiO₂轉化為低溫氣凝膠，將其密度降低了約50%。Pt/TiO₂低溫氣凝膠和Cu-SA/TiO₂?NPs的電子顯微鏡和元素分析驗證了它們的形態和組成。骨架聚合物的多孔結構也有助于降低納米復合材料的密度(圖2c,d)。

圖3. 納米復合材料制氫的研究

圖4. 納米復合材料的實際應用

圖5. 納米復合材料大規模應用

光催化劑的穩定固定化和納米復合材料的高耐久性使得即使在海水中也具有較高的HER性能(圖4a,b)，這與去離子水中的HER活性相當(圖3h)。對比第0天、第7天和第14天的氫氣析出性能，證實了其在自然海水環境中的長期穩定性(圖4b)。在海水中沒有觀察到納米復合材料的體積變化或材料降解。

塑料的光重整被認為是最重要的光催化反應之一，因為它可以產生H₂，同時減少對環境有問題的塑料廢物，納米復合材料也可以產生H₂(圖4d,e)，因為它即使在強堿溶液中也具有很高的材料耐久性。該納米復合材料光重整聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的析氫速率為0.154 l h^-1?m^-2?(3.45?mmol h^-1?m^-2)。在第0天、第7天和第14天對設備性能的觀察證實了其長期生存能力(圖4f)。

HER平臺的規模化對于實際應用具有十分重要的意義。可浮性光催化納米復合材料的尺寸分兩步放大(從0.00283到0.01320 m²，然后到1 m²)，以證明H₂的規模化生產。首先，以Pt/TiO2低溫氣凝膠作為光催化劑，制備了11.5 cm × 11.5 cm的納米復合材料。在模擬太陽光照條件下，納米復合材料的H₂析出率為0.504 l h^-1?m^-2?(11.3 mmol h^-1?m^-2)。

接下來，制備總面積為1 m²的陣列納米復合材料(圖5a,b)。在這些大規模納米復合材料中，Cu-SA/TiO₂?NPs被用作光催化劑而不是Pt/TiO₂冷凍氣凝膠，以證明納米復合材料的經濟可行性。在平均強度為0.732 kW m^-2的自然陽光照射下，1平方米尺度的納米復合材料每天可以產生79.2 ml的H₂(圖5c)。

總結展望

綜上所述，作者提出了一種由彈性體-水凝膠納米復合材料構建的可浮式光催化平臺，證明了其在太陽能制氫方面優于傳統系統。這些可漂浮的納米復合材料位于空氣-水界面，通過實現高效的光傳輸、容易的氣體分離和減少H₂的反氧化，顯著提高了光催化性能。因此，即使沒有水的強制對流，使用Pt/TiO₂冷凍氣凝膠制備的可浮性光催化納米復合材料也表現出163 mmol h^-1?m^-2的高析氫速率。

通過經濟可行的Cu-SA/TiO₂光催化劑生產1平方米規模的氫氣，模擬研究1平方米規模的納米復合材料，以及海水制氫和環境問題塑料廢物的光轉化，實驗探索了納米復合材料在一般光催化應用中的潛力。這些可擴展性、材料耐久性和在各種現實環境條件下的光催化活性證明了可浮性光催化納米復合材料的潛力。

然而，利用可浮性納米復合材料在商業規模上實現太陽能制氫還需要進一步的發展。為提高光催化效率，開發高性能光催化劑及其與納米復合材料的整體集成是當前發展的迫切需要。考慮到成本和環境問題，還需要使用水分解催化劑。此外，可以通過材料工程進一步提高HER性能，例如實現透明彈性體-水凝膠混合基質，從而促進入射光能的有效利用。該平臺隨著未來的發展，將對光催化的產業化產生重大影響。

文獻信息

Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production. (Nat. Nanotechnol. 2023, DOI: 10.1038/s41565-023-01385-4)

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01385-4

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/07/cfbe7141b9/

末成年小嫩xb,嫰bbb槡bbbb槡bbbb,免费无人区码卡密,成全高清mv电影免费观看

Nature Nanotechnology里程碑突破！光催化產氫，實現大規模應用！

相關推薦