【研究背景】
追求经济上可行和可持续的水和燃料联合生产是一项有前景但具有挑战性的努力。在最近一期的《自然水》杂志上，Pornrungroj等人介绍了界面太阳能蒸汽产生与光催化的创新组合。这种方法有效地利用了太阳能，将开放的水转化为纯净水和氢燃料。
目前，该文以“Unlocking solar-driven synergistic clean water harvesting and sustainable fuel production”为题在《Joule》上发表。
【文章解读】
氢气的高重量能量密度（143 MJ kg−1）及其环保特性，在燃烧过程中没有有害气体排放，使其成为可再生能源未来的灯塔，尤其是在追求碳中和的过程中。1然而，一个重大挑战仍然存在：我们如何在不对过程施加过多能源需求的情况下可持续地生产氢气？传统的通过水分解生产氢气需要外部能源，如电力，因为其自由能变化大且为正（ΔG0=+237 kJ/mol）。这种依赖带来了局限性，并强调了对其能源负担进行全面评估的必要性。2一种解决方案在于光催化水分解，即利用太阳能克服反应能量障碍，消除对电力的需求。然而，在此过程中对纯净水的高需求限制了其可行性，并进一步加剧了全球水资源短缺，特别是在缺水社区。使用未经处理的水，即使只有少量的污染物，也可能导致严重的副作用，包括其他氧化反应（如氯化物氧化）和催化剂中毒，导致太阳能到氢气（STH）效率和长期运行稳定性急剧下降。2此外，与卫生设施安装和水运输相关的成本进一步加剧了这些挑战。3在Pornrungroj等人最近在《自然水》杂志上详细介绍的一项突破中，一种新型系统无缝结合了界面太阳能蒸汽发生（SVG）和光催化作用，为同时生产清洁水和氢气提供了一种突破性的方法。这种巧妙的集成涉及将太阳能吸收器浮在海面上，将太阳能转化为热量，并激活海水以持续产生蒸汽。同时，使用光催化剂（PC）将水蒸气转化为氢气（图1A）。4未反应的蒸汽随后在光学窗口上冷凝，用于集水。
图1. 太阳能蒸汽发生和光催化的集成，以协同水和可持续燃料生产。
该系统的核心优势是多方面的。SVG采用低成本材料，与现有的海水淡化技术（如反渗透和多层闪蒸）相比，能耗更低。由于碳基纤维和大孔片材的低密度和多孔结构，使其能够漂浮在海面上，因此选择了它们用于SVG。对掺铝钛酸锶（Al:SrTiO3）光催化剂的精心选择确保了高反应性、成本效益和易于合成。在他们的设计中，通过引入助催化剂RhCrOx，采取了一项战略措施，通过阻止O2到达Rh物种来抑制反向反应。随后，这两种成分被错综复杂地嵌入Nafion基质中，智能地防止了与水的直接接触。
SVG和光催化的无缝集成具有几个关键意义。纯RhCrOx Al:SrTiO3选择性地利用太阳光谱中的紫外区域进行水分解，使剩余的光谱，特别是近红外场，可用于高效的SVG，从而实现太阳能的综合利用（图1E）。在反应性方面，向光催化剂提供蒸汽（气态水）的巧妙方法避免了与液态水相关的不利影响。这不仅降低了活化能（ΔG0（H2O，l）=+237 kJ/mol，ΔG0）（H2O，g）=+228.6 kJ/mol），而且消除了液态水膜引起的太阳能散射，减轻了痕量污染物对太阳能吸收率的影响。此外，强调通过硅烷化对太阳能吸收器进行疏水处理，用于排斥溶解在本体溶液中的任何污染物，否则这些污染物可能会渗透通过太阳能吸收器到达光催化剂，尽管在原料和光催化剂之间应用了物理分离层。如图1B和1C所示，疏水处理后，水接触角显示出增量，与更高的STH效率相关。相反，直接涂覆在玻璃上的光催化剂呈现出传统趋势，在海水下STH效率显著降低。值得注意的是，这种设计不仅通过将光催化剂与海水中的污染物隔离开来，而且通过保持相对干燥的环境来防止助催化剂溶解，从而提高了长期运行稳定性。如图1D所示，涂覆在玻璃上的光催化剂的析氢活性在66小时后迅速降低了40%以上，这归因于RhCrOx Al:SrTiO3表面Cr物种的损失。相比之下，未经处理的SVG光催化剂和经处理的SVG-光催化剂在纯水中保持稳定长达154小时，保持了其初始性能的89%。在海水条件下，玻璃光催化剂和未经处理的SVG光催化剂的性能明显低于它们在纯水中的性能，在前22小时内仅产生0.04%的STH效率，在随后的循环中降低了析氢速率。相比之下，SVG光催化剂在海水和纯水中表现出一致的性能，在运行154小时和化学计量的总水分解后，其初始性能的STH效率保持在80%。最后，开发了一个使用剑河水的集成水分解和清洁水生产的原型（图1F和1G）。水分解产生的氢气被困在反应器的气密顶部空间中，在AM 1.5G下达到16.1±3.6 mmol m−2 h−1的性能，STH:0.10±0.02%（在自然阳光下为7.82±1.52 mmol m²h−l）。同时，SVG冷凝的水蒸气在倾斜的窗户上形成液滴，在AM 1.5G下向下流入一个单独的隔板，产水率为0.94±0.12 kg m−2 h−1（在自然阳光下为0.71±0.12 kg m2 h−l）（图1H）。
图2. 大气水收集和光催化集成用于级联燃料生产
除了优化SVG-PC系统外，Pornrungroj等人还设想了直接从无处不在的大气水分中收集水和燃料的可能性。与SVG-PC系统相比，大气集水（AWH）-光催化系统可以从根本上解决对海水或水原料的依赖。这被认为是下一代水燃料热电联产系统，对水资源获取有限的内陆地区非常有益。5,6然而，AWH-PC系统极具挑战性，仍然相对未经探索，有几个棘手的瓶颈需要解决。7,8首先，开发的吸附剂对令人满意的吸湿性和光催化反应性提出了很高的要求。其次，由于水分吸收/吸附（供水）和解吸（放水）不平衡，如何连续收获能源燃料和清洁水是一个具有挑战性的问题。
【文章总结】
SVG-PC系统的成功建立无疑标志着一个关键的里程碑，揭示了光催化在污染水处理、清洁水生产和氢气释放方面的新前景。这一成就将有助于激励研究人员更深入地研究，旨在优化和扩大其水和燃料生产能力。首先，需要加强太阳能吸收器和光催化剂之间的相互作用。确保催化剂的稳定性而不会脱落，同时有效地将污染物水从光催化剂中分离出来，仍然是精制的关键途径。其次，虽然目前的设备体积限制在180立方厘米以下，但注意大规模制造和可扩展性至关重要。要弥合性能和实际应用标准之间的差距，就必须把重点放在升级SVG-PC系统上。最后，不懈地追求提高太阳能到氢气的效率仍然是首要目标。效率的提高直接放大了整体燃料生产能力，使该技术更接近其最大潜力。前进的道路依赖于跨越物理、化学、材料科学和纳米技术的跨学科合作。在这个新兴领域，这种共生伙伴关系有望在可预见的未来朝着实际应用迈出革命性的一步。
【文献来源】
https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.019
