基于Cu/TiO2/C-Wood复合材料的聚光太阳能驱动自漂浮高效海水汽化催化分解制氢体系

引言

太阳能驱动的水制氢被认为是一种实现可持续碳中和经济的极为有前景的技术方案[1-2]，并日益得到学术界和工业界的认可。虽然水是地球上最丰富的自然资源之一，覆盖了地球表面的四分之三，但其中97%都是海水[3-4]。因此，发展太阳能海水直接制氢技术具有极大的规模化和经济性应用前景以及战略意义。目前已报道的太阳能海水制氢技术主要包括光伏电催化、光电催化和光催化三种手段[5-6]，但目前均存在各自的问题。如电解海水制氢就面临着高耗电量和高成本的严峻挑战。更重要的是在电解过程中，海水中高浓度的氯离子不仅易与金属电极材料发生作用而腐蚀电极，降低其使用寿命；而且能够在阳极与电解水的氧析出反应产生竞争而减少氢质子的产生[6-7]，导致制氢性能下降。光电催化技术发展较慢且太阳能转化利用效率低[8]，现阶段难实现规模化应用。光催化技术作为更简单、更经济的制氢方式吸引了人们的广泛关注[9]，但目前低的太阳能利用率和产氢效率使该技术仍局限于实验室研究阶段[10-11]，这主要归因于：(1)大多数半导体材料具有较宽的带隙结构[12]，使其只能吸收利用占太阳光谱5%的紫外光，而占光谱45%的可见光和50%的近红外光很难被吸收且主要以热的形式被耗散[13]；(2)光生电子-空穴对的分离和转移过程的动力学限制[14]，使其易于复合而无法参与到光催化氢质子还原过程；(3)海水中氯离子易于破坏半导体催化剂结构并消耗光生电子-空穴对而发生副反应[15]。为此，迫切需要新的能够高效利用全光谱太阳能并有效解决海水中氯离子对制氢性能抑制作用的太阳能海水制氢技术。

最近，本课题组利用商业二氧化钛催化剂在高通量全光谱太阳光照射下[16]，通过高密度光子流（主要来源于紫外和部分可见光）和高密度热流（主要来源于红外光和部分可见光）的协同作用不仅实现了全光谱太阳能的梯级利用，而且获得了比传统光催化反应条件下（即室温低光强）明显提升的产氢速率和太阳能利用率，这为解决上述太阳能海水制氢面临的挑战提供了新的解决方案。但目前关于利用聚光光热催化技术分解海水制氢的工作还未见报道，为此相关的反应机制和特性以及海水中氯离子对产氢性能的影响需要进一步研究。

本工作中，从太阳能高效利用和解决海水中氯离子抑制作用的角度，设计合成了一种简单易行且经济高效的太阳能驱动海水汽化与水蒸气催化分解制氢体系，如图1所示。这一反应体系主要包括碳化木头作为光热转化材料以及金属铜负载的二氧化钛纳米粒子作为光热催化组分。在高通量全光谱太阳光照射下，该体系通过碳化木的光热转化及毛细输液过程对海水进行快速汽化，并利用铜负载的二氧化钛纳米粒子将水蒸气进一步催化分解制得氢气，从而实现高效利用聚光太阳能驱动海水汽化催化分解制氢。在本工作中，太阳能光和热的协同作用打破了光催化海水制氢过程中受半导体带隙结构的限制，将通常无法被吸收利用的低能红外光部分以热的形式促进海水汽化并辅助促进光催化制氢过程。另外，该体系可以直接有效地解决传统粉末催化剂难回收再利用的技术瓶颈。更重要的是，不同于诸多海水制氢技术中氯离子对电极材料/催化材料以及反应过程的负面影响，该反应体系通过聚光照射和自漂浮两相结构的协同作用实现了模拟海水的制氢性能明显优于淡水的反应特性，产氢速率从85 μmol·h-1·cm-2 提升至179 μmol·h-1·cm-2，这为规模化太阳能海水制氢打开了新局面。

图1

图1   聚光太阳能驱动自漂浮高效海水汽化催化分解制氢体系

Fig.1   Self-floating high-efficient evaporative catalytic seawater hydrogen production system driven by concentrated solar energy