第一作者：孟新宇
通讯作者：潘云翔，周寅宁，李锦锦
通讯单位：上海交通大学，华东理工大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202307490
与传统的化石燃料制氢、电催化水分解制氢等过程相比，太阳能驱动可见光催化水分解制氢具有绿色、节能、无CO2排放和成本低等优点，因此极具商业应用前景。然而，现阶段可见光催化水分解制氢效率低于10 mmol/h/m2，无法实现鼓泡式制氢，且存在反应器放大异常困难的难题，与大规模商业应用的要求相距甚远。上海交通大学化学化工学院化工系潘云翔教授和周寅宁副教授及华东理工大学化工学院李锦锦副研究员等合作，利用具有丰富孔道结构的聚合物基圆盘状微反应器，通过将常用的Pt/CdS光催化剂颗粒锚定于微反应器孔道壁上，将可见光催化水分解制氢效率大幅提升至600 mmol/h/m2，超过传统光催化反应器内制氢效率近1000倍。更为重要的是，上述圆盘状微反应器可以非常容易的组装放大成为反应面积高达1 m2的平板式反应器，反应器放大过程中可见光催化制氢效率始终维持在600 mmol/h/m2左右，氢气鼓泡剧烈。这为可见光催化水分解制氢的商业化提供了重要技术和理论支撑。
传统光催化反应器内，Pt/CdS等光催化剂颗粒分散于水中。为了维持光催化剂颗粒在水中的分散度并促进光催化剂颗粒与水分子的作用，反应过程中需利用持续高速搅拌。此时，水分子与光催化颗粒均处于高速运动状态。这并不利于水分子在光催化剂表面的反应。与传统光催化反应器不同，研究团队将光催化剂颗粒固定于多孔聚合物基圆盘状微反应器孔道壁上，水缓慢流过微反应器孔道。此时，光催化剂颗粒固定不动，而水的流动缓慢且平稳。这使得水分子与光催化剂颗粒充分作用，进而大幅提升了可见光催化水分解制氢的效率。
在光催化剂锚定于多孔聚合物微反应器孔道壁的过程中，还原铂离子并形成高分散的铂颗粒是关键环节。传统的还原技术包括高温氢气还原和硼氢化钠化学还原。聚合物不耐高温，高温氢气还原易破坏聚合物孔道结构，进而降低可见光催化制氢效率。相比于高温氢气还原，硼氢化钠化学还原过程温度较低，但其反应剧烈，也易破坏聚合物孔道结构。为克服上述难题，研究团队将低温等离子体引入，不使用氢气、硼氢化钠等还原剂等，仅使用氩气引发低温等离子体，在室温条件下，利用氩气电离形成的电子与铂离子反应将铂离子还原成金属铂原子。同时，利用氩气电离形成的电子与聚合物骨架原子和金属铂原子的碰撞，引发物种间反应，从而形成较强Pt-聚合物作用，进而在不破坏聚合物孔道结构的基础上将高分散的Pt颗粒锚定于聚合物孔道壁上。形成高效的可见光催化水分解制氢反应体系。
本文所发展的多孔聚合物基圆盘状微反应器不仅有助于可见光催化水分解制氢的商业化应用，也有助于大幅提升其他光催化反应的效率，例如：光催化CO2还原、光催化有机物降解等，仅简单更换光催化剂并将光催化颗粒锚定于微反应器孔道壁上即可。
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