第一作者： Hiroshi Nishiyama, Taro Yamada
通讯作者： Kazunari Domen
通讯单位： 东京大学
论文DOI： https://doi.org/10.1038/s41586-021-03907-3
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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碳中和能源开发变得更加重要。氢是一种有吸引力且用途广泛的能量载体（也是重要且广泛使用的化学物质），其可以通过使用阳光的光催化以及通过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 (STH) 能量转换效率。尽管光催化水分解的转化效率降低了1% 左右，但系统设计更简单、更便宜，更易于放大。基于作者之前改良的掺铝钛酸锶微粒光催化剂的 1 平方米面板反应器系统的演示，作者在此报告了 100 平方米的面板反应器阵列在几个月内的安全运行，并使用商业聚酰亚胺膜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，并且在故意点燃回收氢气时仍保持完好无损，达到了 0.76% 的最大 STH。虽然制氢效率较低且总体上为负能量，但该研究结果表明，安全、大规模的光催化水分解，以及气体收集和分离是可能的。为了使该技术在经济上可行且实用，下一步必不可少的步骤是反应器和工艺优化，以大幅降低成本并提高 STH 效率、光催化剂稳定性和气体分离效率。
背景介绍
通过目前位于低纬度地区的几平方公里规模的商业太阳能发电厂的运营和当地的供电，工业界预计，太阳能作为一种可持续能源资源的重要性会增加。除了发电之外，将太阳能转化为化学品也引起了越来越多的兴趣，因为太阳能通常是在远离高能源需求地点的地方收集的，而且太阳辐射的强度会随着时间的推移而波动。光伏辅助电化学、光电化学和光催化水分解系统可以从水中产生太阳能。目前，这些技术中最有前景的是光伏辅助电解槽，其效率高达 30%，并与燃料电池相结合，能够产生太阳能和太阳能燃料以满足最终用户在区域范围内全年的能源需求。虽然颗粒光催化剂系统表现出较低的 STH 值，最多为 1%，但光催化剂性能的改进，可能使此类系统在应用上可行，并使得它们的简单性和可扩展性可以被利用（前提是产品气体可以安全有效地处理）。
图文解析
图1. 100平方米水分解光催化剂面板反应器。 (a) 面板反应器单元 (625 cm2) 的照片。 (b) 面板反应器单元的侧视图结构。 (c) 100 m2 太阳能制氢系统的俯视图，该系统由 1600 个面板反应器单元和一个装有气体分离设施的小屋组成（由黄色虚线框表示）。
图 2. 光催化剂片的电子显微镜图像。通过扫描电子显微镜获得的 (a) 二次电子和 (b) 背散射电子顶视图图像。 (c) 通过透射电子显微镜获得的横截面图像。（d）通过扫描电子显微镜获得的横截面背散射电子图像。这些样品是通过使用程控喷雾器将光催化剂沉积在磨砂玻璃板上来制备的。
图 3. 连接到 100 平方米水分解光催化剂面板反应器的气体分离装置的性能。 (a) 储存罐和定量罐中气体体积随时间的变化。滤筒运行的时间段用阴影表示。 (b) 湿氢氧进料、滤液和残余气体的累积量。滤液和残余气体中（不包括水蒸气）氢和氧比率分别沿曲线标出。 (c) 太阳光照强度（红色）和水分解面板反应器（灰色）中气体析出率的变化。
总结与展望
基于上述结果，作者通过光催化水分解将太阳能制氢规模扩大到 100 平方米（迄今为止报道的最大太阳能制氢装置）是可行的，原则上可以进一步扩大规模而不会降低效率。 但是，尽管该系统由于其尺寸大而实现了迄今为止最高的太阳能氢气产出，但效率仍很低，而且 STH 值远低于光伏辅助水电解所能达到的水平。
为了使光催化水分解具有实际意义，业界需要更好的利用可见光的光催化剂，这目前仍然是一个基本问题。该研究中使用的 SrTiO3:Al 光催化剂在紫外线范围内工作，在自然阳光下仅达到 0.76% 的 STH。STH 需要达到 5-10% 才能实现经济上可行的太阳能制氢。虽然目前的光催化剂片在台架测试期间稳定了几个月，并且降解的光催化剂片在操作过程中可以很容易地更换，但仍需要更长的使用寿命。
目前的面板反应器的建造重点是足够的稳定性，以确保长期户外运行，而不考虑生产和运营成本。但任何与实际相关的太阳能燃料生产系统都必须具有与现有燃料生产技术相当的成本竞争力。业界需要开发重量轻且价格低廉的材料制成的更简单的反应堆，且仍能确保安全性和耐用性。该系统无法以净能量增益生产氢气的发现突出表明需要降低水和气体处理的功率需求。当前基于市售膜的氢气回收系统提供的氢气仍处于爆炸范围 (4% < H2 < 95%)内， 并在进料气中留下超过 20% 的氢气。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的膜显然是必不可少的。
最后，作者注意到，虽然在初步安全测试中没有出现严重问题和危险隐患，但整个太阳能氢反应面板系统的运行存在明显的安全问题，任何新开发的装置都应经过化学部门工程安全专家的检查和批准，以遵守安全和法律责任要求。
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