第一作者：Hiroshi Nishiyama, Taro Yamada 通讯作者：Kazunari Domen通讯单位：东京大学/ The University of Tokyo 作者设计了100平方米规模的水光催化太阳能制氢系统证明安全且大规模的光催化水分解和气体收集以及分离是有可能的。 【主要内容】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%的太阳能制氢能量转换效率（STH）。光催化水分解显著降低了仅1%左右的转化效率，但系统设计得更简单、成本更低而且更易于放大。前提是潮湿的、化学计量的氢和氧混合物可以在现场环境中安全处理并进行氢气回收。 鉴于此，东京大学Hiroshi Nishiyama, Taro Yamada等人基于改良的掺铝钛酸锶颗粒光催化剂(aluminium-doped strontium titanate particulate Photocatalyst)的 1 平方米面板反应器系统，拓展为100平方米的面板反应器阵列。在安全运行数月期间，使用商用聚酰亚胺膜（polyimide membrane）从潮湿的气体产品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，并且能在有意点燃回收的氢气时保持完好无损，最大能达到0.76% STH。虽然制氢效率低下且总体上为负能量，但他们的研究结果表明，安全且大规模的光催化水分解和气体收集以及分离是有可能的。为了使该技术在经济上可行且实用，接下来的关键步骤反应器和工艺的优化，以大幅度降低成本并提高太阳能制氢的效率、光催化剂的稳定性以及气体分离的效率。 研究人员表示，该系统在实际应用中依然面临挑战。研究结果表明，尽管他们的系统在尺寸大的优势下提供了迄今为止最高的太阳能氢气的输出，但是效率很低，并且STH值远低于光伏辅助水电解器所能达到的值。同时，为了使光催化水分解具有意义，需要更好的利用可见光的光催化剂。虽然现有的光触媒片（photocatalyst sheets）在实验室实验期间稳定了几个月，并且降解的光触媒片在操作中更容易地更换，但仍需要更长寿命的光触媒片的出现。研究人员还指出，目前的面板反应器并没有考虑生产和运营成本，同时需开发重量轻且价格低廉的材料制作成更简单的反应堆，并且保证其安全性和耐用性。除了优化气体处理和操作条件外，使用专门设计的泵，开发具有更好氢渗透性和更低氧渗透性膜也是升级系统的关键。Fig. 1 | The 100 m2 water splitting photocatalyst panel reactor. (a) A photographic image of a panel reactor unit (625 cm2). (b) The structure of the panel reactor unit viewed from the side. (c) An overhead view of the 100 m2solar hydrogen production system consisting of 1600 panel reactor units and a hut housing a gas separation facility (indicated by the dashed yellow box).Fig. 2 | Electron microscopy images of photocatalyst sheets. Top-view (a) secondary electron and (b) backscattered electron images acquired by scanning electron microscopy. (c) A cross-sectional image acquired by transmission electron microscopy. (d) A cross-sectional backscattered electron image acquired by scanning electron microscopy. These specimens were fabricated by depositing the photocatalyst on frosted glass sheets using a program-controlled sprayer.光催化剂板是在透明玻璃板上手动制备的，并使用程序喷涂系统在磨砂玻璃板上制备。应用后，颗粒层覆盖玻璃板的整个表面，厚度在整个玻璃板上从 4 到 10 μm 不等。Fig. 3 | Performance of the gas-separation unit connected to the 100 m2 water-splitting photocatalyst panel reactor on October 2, 2020 at the Kakioka Research Facility. (a) Time courses of the gas volumes contained in the storage and quantification tanks. The periods during which the filter cartridge was operational are shaded. (b) The accumulated amounts of moist oxyhydrogen feed, filtrate and residue gases. The ratios of hydrogen and oxygen in the filtrate and residue gases excluding water vapour are notated along the curves, respectively. (c) The variations of solar illumination intensity (red) and the gas evolution rate in the water splitting panel reactor (grey). 【文献信息】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03907-3