Joule：Domen課題組實現大規模化太陽能光催化分解水產氫

前言：

最近，日本東京大學的 K.Domen 教授研究組設計了一種光催化劑顆粒鑲嵌式的板式反應器。這種反應器不僅可以支持具有 10%太陽能轉化產氫效率的水分解反應，而且能夠達到至少1 平方米的規模。作者將Al 摻雜的SrTiO3 催化劑用於這個反應器，實現了1 平方米的高效太陽能分解純水制氫。

研究背景：

通過光解水的方法，利用太陽能大量生產氫氣，對解決能源危機和環境污染具有重要的應用前景。但是，至今為止，仍然鮮有大規模化的太陽能催化分解水產氫模型被提出。事實上，因為太陽光的能量密度很低，用於光解水的器件的可擴展性與高效率同樣重要。對於光解水技術大規模化，其中一個挑戰就是由於離子遷移距離過長所引起的溶液阻力以及液相中的傳質問題。基於光催化劑顆粒的分解水反應，因為氫氣和氧氣產生於同一個顆粒上的相鄰位置，

能大大降低溶液阻力和濃差極化過電位。並且這個反應可以直接發生在純水裡，不需要加入電解質，從而被認為是一種可規模化，經濟可行的太陽能制氫的途徑。然而傳統的催化劑粉末體系，由於難以回收等各種問題並不易於大面積利用。所以，光催化劑顆粒是否真的能夠實現大規模的太陽能產氫，又如何實現呢，這一直是很多科研人員所關心的問題。

圖文解析：

圖1. SrTiO3:Al光催化劑的形貌和光解水性能

要點：作者通過熔鹽法合成了 200-500 nm 的 Al 摻雜 SrTiO3 單晶（SrTiO3：Al）。這種 SrTiO3：Al 單晶可以實現 0.6%的太陽能轉化產氫效率，並且在 365 nm 的單色光照射下，具有56%的量子效率。

圖2. SrTiO3:Al以片狀和粉末狀存在時的水分解性能時間曲線

要點：作者將SrTiO3：Al 顆粒鑲嵌在5*5 cm 的玻璃板上。通過與傳統粉末體系的對比實驗發現SrTiO3：Al 的光催化性能並沒有因為固定在玻璃板上而有大的折損

圖3. 1*1 m 的光分解水產氫器件

要點：實現了 1*1 m 的光分解水產氫器件。當將這個反應器放置于東京九月的自然太陽光下，可以看到大量的氣泡產生。這些氣泡可以順利地從反應器上端的排氣孔排出並收集起來。通過計算得出，太陽光轉化效率依然可以達0.4%。

圖4. SrTiO3:Al太陽能板上的光催化水分解性能

要點：作者探索了反應器設計中可能會影響光催化分解水性能的因素。實驗結果表明， 1mm 的水層已經足以將大量的氣泡轉移到排氣孔。

反應器上部玻璃窗的親水疏水性對氣泡的形成以及轉移有很大的影響。即使如此，催化劑的分解水性能並沒有受到影響。

圖4. 5 × 5 cm SrTiO3:Al板上負載CoOy或者RhCrOx 之後的光催化性能

要點：通過擔載CoOy 助催化劑， SrTiO3：Al 顆粒鑲嵌板在光解水反應中的穩定性得到了提高。產氫速率在1000 小時的長時間測試之後仍然保持了64%。

全文小結：

大面積化的太陽能分解水制氫的實現；

光催化劑顆粒鑲嵌式的板式反應器的設計不會折損光催化劑本身的催化性能；

在自然太陽光的照射下，這種有效面積為1 平方米的光催化分解水產氫器件可以達到0.4%的太陽光轉化效率。

作者簡介：

Kazunari Domen(堂免一成)

1976年、1979年、1982年在東京大學科學學院獲得學士、碩士、博士學位。1982-2004年在東京工業大學從事助理研究員、副教授和教授， 2004年至今任東京大學工學院化學工程系教授，2017年起在日本信州大學能源與環境科學中心擔任特聘教授。獲得的榮譽獎項有：2007年獲日本催化協會獎，2011年獲日本化學會獎。研究興趣有：光催化分解水研究、基於紅外光譜的多相催化研究、基於非線性鐳射光譜的表面動力學反應研究，以及新型功能化催化材料的開發。Domen是可見光催化水分解領域(特別是Oxynitride等)的領軍人物，他所提出來的GaN:ZnO體系一直是可見光催化水分解效率的記錄保持者。Domen專注于傳統光催化水分解領域，可以說是整個領域的守望者，有近40年的光催化研究生涯，在Nature, Nat. Mater. JACS等國際頂級期刊上發表論文多篇，他所撰寫的很多綜述也被眾多初學者當做入門教材。

課題組主頁：http://www.domen.t.u-tokyo.ac.jp/english/index_framepage_E.html

產氫速率在1000 小時的長時間測試之後仍然保持了64%。