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工業(yè)革命以來(lái)，人類向地球大氣排放了大量溫室氣體二氧化碳，環(huán)境問(wèn)題日益突出（如氣候變暖、冰川融化、海平面上升等），嚴(yán)重制約了人類的發(fā)展。因此，科學(xué)家們致力于開(kāi)發(fā)新的碳中性能源，如氫能，它被普遍認(rèn)為是一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的綠色能源。目前主要的制氫方法有：化石燃料制氫、電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫、新型制氫方法（生物質(zhì)制氫、太陽(yáng)能水制氫、熱化學(xué)裂解制水氫等），利用太陽(yáng)能將水分解成氫，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)能，因此被認(rèn)為是解決全球能源問(wèn)題的理想途徑之一。目前，最高效的太陽(yáng)能水分解制氫方案是將太陽(yáng)能電池與水電解系統(tǒng)相結(jié)合。據(jù)報(bào)道，太陽(yáng)能到氫氣 (STH) 的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 30%。相比之下，雖然光催化分解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率要低很多（只有1%左右），但整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，成本更低，更容易規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化前景更好。然而，光催化分解水的產(chǎn)物是氫氣和氧氣的潮濕混合物。安全和氫氣回收仍然是大規(guī)模應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。
近日，團(tuán)隊(duì)基于改進(jìn)型摻鋁鈦酸鍶（SrTiO3:Al）光催化劑，將之前開(kāi)發(fā)的1平方米面板反應(yīng)器系統(tǒng)擴(kuò)展為100平方米太陽(yáng)能光催化分解水制氫系統(tǒng)，安全、規(guī)模化實(shí)現(xiàn)光催化水分解、氣體收集和分離。該系統(tǒng)不僅可以穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)月，而且可以在商用聚酰亞胺膜的作用下從加濕的混合氣體中回收氫氣，最高 STH 效率為 0.76%。值得一提的是，該系統(tǒng)針對(duì)安全性和耐用性進(jìn)行了優(yōu)化，即使在有意點(diǎn)燃和回收氫氣時(shí)也能保持完整。
首先，作者使用光催化劑片層的面板反應(yīng)器進(jìn)行光催化水裂解，以探索太陽(yáng)能制氫的規(guī)?；蜌怏w處理技術(shù)。如圖1所示，該100 m2規(guī)模的光催化太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)是由1600 個(gè)反應(yīng)器單元排列而成，每個(gè)單元的受光面積為 625 cm2，紫外線透明玻璃與光催化劑片層之間的間隙為 0.1 mm（圖1a-b），以最大限度地減少水載荷并防止產(chǎn)物氫氧氣體的積聚和燃燒發(fā)生。需要指出的是，該系統(tǒng)中氣體產(chǎn)物輸送和反應(yīng)物水輸送分別使用內(nèi)徑為 8.6 mm 和 4.0 mm的聚氨酯管。
接下來(lái)，作者通過(guò)兩種方式制備了光催化劑片層（即在透明玻璃板上手工制備和在磨砂玻璃板上程序噴涂）。前者于2019年8月安裝，使用至2020年7月，之后改用后者，其他系統(tǒng)組件不變。如圖2所示，顆粒催化劑層覆蓋了玻璃板的整個(gè)表面，厚度為4μm至10μm。光催化劑片層含有數(shù)百納米的改性SrTiO3:Al粒子，由二氧化硅納米粒子固定，同時(shí)在粒子之間的間隙中形成介孔通道（圖2c）。
在構(gòu)建大型面板反應(yīng)器陣列之前，作者使用了一個(gè)小型面板反應(yīng)器并將其暴露在模擬標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光下（AM 1.5G，1 kW m-2）進(jìn)行室內(nèi)加速測(cè)試。經(jīng)過(guò)幾天的活化期，作者發(fā)現(xiàn)在透明玻璃上制作的小型光催化劑片層（5 cm×5 cm）可以將蒸餾水分解成氫氣和氧氣，STH效率為0.48%（圖3a），STH隨著時(shí)間的推移，效率逐漸降低（在 280 小時(shí)內(nèi)低于 0.40%）。相比之下，在磨砂玻璃上制造的光催化劑片更活躍，更耐用?；罨蟮?STH 效率達(dá)到 0.51%，并在 1600 小時(shí)內(nèi)保持在 0.40% 以上（圖 3b）。
試驗(yàn)光觸面板反應(yīng)器陣列由三個(gè)模塊組成，總光接收面積為9 m2，暴露在輻照強(qiáng)度為0.88 kW m-2的自然光下能以568 mL min-1的速率產(chǎn)生濕潤(rùn)的氫氧氣體，STH效率可達(dá)0.76%。作者還使用磨砂玻璃上制備的光催化劑片層構(gòu)建了100 m2光催化水裂解反應(yīng)器陣列，并對(duì)該過(guò)程的太陽(yáng)光強(qiáng)度、氫氧氣體生產(chǎn)量、每日 STH 效率以及太陽(yáng)輻照中紫外線比例等數(shù)據(jù)進(jìn)行了連續(xù)的記錄，發(fā)現(xiàn)氣體生產(chǎn)速率在2020年9月22日的上午11:00-11:30（室外溫度為34 ℃）達(dá)到峰值（3.6-3.7 L min-1）（氣體收集如下圖所示）。然而，該系統(tǒng)在自然陽(yáng)光下STH效率會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸降低，考慮光催化劑片層的耐用性，這種效率降低還可能與天氣因素有關(guān)（從9月到12月）
由于膜分離裝置和隔膜泵處理氣態(tài)產(chǎn)物的能力超過(guò)了氣體析出的速率，因此該氣體處理裝置只需間歇性工作以分離氫氣（圖4a），其中富氫濾過(guò)氣體在常壓下由隔膜泵排出，而殘留的富氧氣體則從濾芯中排出。另外，圖4b和圖4c分別顯示了進(jìn)料、濾過(guò)和殘留氣體的累積量以及太陽(yáng)光照強(qiáng)度和水裂解面板反應(yīng)器中氣體析出率的變化。需要指出的是，無(wú)論在不同天氣條件下濕潤(rùn)氫氧氣體的生產(chǎn)速率如何，氣體分離膜裝置在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中都沒(méi)有任何劣化的跡象。
此外，整個(gè)制氫系統(tǒng)已在室外條件下運(yùn)行一年多，未發(fā)生自爆或其他故障。為了進(jìn)行更嚴(yán)格的安全測(cè)試，筆者對(duì)太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行了氫氣和氧氣的有意點(diǎn)火測(cè)試。當(dāng)有意點(diǎn)燃連接的集氣管中的氣體產(chǎn)物時(shí)，大部分光催化水分解反應(yīng)器陣列（受光面積為70平方米，在陽(yáng)光下運(yùn)行）、管道、中空聚酰亞胺纖維膜分離器、氣體分離裝置幾乎無(wú)損且可以保持其功能，儲(chǔ)氣罐也可以通過(guò)輕微優(yōu)化調(diào)整的故意點(diǎn)火測(cè)試?？傊@些結(jié)果表明，只要適當(dāng)優(yōu)化，該系統(tǒng)在大規(guī)模生產(chǎn)氫氣時(shí)是安全的。
