“雙碳”背景下，氫能成為推動能源生產(chǎn)消費綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要抓手，是能源結構優(yōu)化的主要發(fā)展方向。太陽能驅(qū)動光催化水分解制氫極具前景，具有太陽能豐富且綠色、無CO2排放、不受地域限制等優(yōu)勢。例如：遠離陸地的輪船上，通過光催化分解海水制氫，可維持正常工作和生活。但目前絕大部分光催化劑的光催化水分解制氫效率低于10 mmol/h/m2，無法實現(xiàn)鼓泡式制氫，與商業(yè)應用要求相距甚遠。
上海交通大學潘云翔教授和周寅寧副教授及華東理工大學李錦錦副研究員等合作，設計開發(fā)出多孔聚合物微反應器，通過將Pt/CdS光催化劑錨定于微反應器孔道壁上，實現(xiàn)了高達602.5 mmol/h/m2的光催化水分解制氫效率，這是傳統(tǒng)反應器的1000倍。將微反應器組裝成反應面積達1 m2的平板式反應器，反應100 h制氫效率始終在600 mmol/h/m2左右，且氫氣鼓泡劇烈。這為光催化水分解制氫的商業(yè)化提供了重要技術和理論支撐。
傳統(tǒng)反應器內(nèi)，光催化劑分散于水中，需利用攪拌提升光催化劑在水中的分散度。但水分子和光催化劑均快速運動，這不利于水分子在光催化劑表面的反應。與此不同，研究團隊開發(fā)的多孔聚合物微反應器內(nèi)，光催化劑固定于微反應器孔道壁上，水緩慢流過孔道、停留時間長，可與光催化劑充分作用，進而顯著提升水分解制氫效率。 將光催化劑錨定于多孔聚合物微反應器孔道壁的過程中，Pt4+離子還原是關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)還原技術包括高溫氫氣還原和硼氫化鈉化學還原。聚合物不耐高溫，高溫氫氣還原易破壞聚合物結構。硼氫化鈉化學還原雖操作溫度較低，但硼氫化鈉易破壞聚合物結構。為解決這些問題，研究團隊利用自主研發(fā)的新型低溫等離子體設備，不使用氫氣、硼氫化鈉及酸、堿、有機溶劑等，僅使用氬氣引發(fā)低溫等離子體，在室溫，利用氬氣電離形成的電子與Pt4+離子反應將Pt4+離子還原成Pt0原子。同時，利用氬氣電離形成的電子與聚合物骨架原子和Pt0原子的碰撞，引發(fā)物種間反應，形成較強Pt-聚合物作用，進而將Pt顆粒錨定于聚合物孔道壁上。低溫等離子體室溫無氫還原制備的Pt顆粒尺度均勻、分散度高，且不損害聚合物孔道結構。 研究團隊開發(fā)出了不同體積（1~2000升）的低溫等離子體設備，并已成功用于合成Pt/Ni/Pd/Au等催化材料、Ni-Mo-S等金屬硫化物、碳化鉬/碳化鎢等金屬碳化物以及對碳管/石墨烯等材料表面改性。室溫特性使低溫等離子體設備非常適合用于對溫度較敏感的材料。此外，設備也已大規(guī)模商業(yè)用于電路板精細加工領域。 論文信息 Long-Term Stable Hydrogen Production from Water and Lactic Acid via Visible-Light-Driven Photocatalysis in a Porous Microreactor Xin-Yu Meng, Jin-Jin Li, Peng Liu, Mingyu Duan, Jing Wang, Prof. Yin-Ning Zhou, Prof. Yongbing Xie, Prof. Zheng-Hong Luo, Prof. Yun-Xiang Pan Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202307490
