【摘要】 太阳能驱动制氢系统主要有三种类型:微粒光催化、光伏辅助电解（PV-E）和光电化学电池（PEC），其中微粒光催化预计比其他两种系统更具成本效益。

出处：西北工业大学材料科学与工程学院

 

背景

 

太阳能驱动制氢系统主要有三种类型:微粒光催化、光伏辅助电解（PV-E）和光电化学电池（PEC），其中微粒光催化预计比其他两种系统更具成本效益。不幸的是，尽管结构和缺陷工程、等离子体效应和元素掺杂在内的许多策略来改善光催化剂的光吸收和光诱导电荷分离和传输，但是颗粒光催化中的太阳能到氢气的转换效率仍然很低。

 

研究思路与方案

 

Guo课题组从相界面的角度来看，设计了一个高效、低成本的光催化系统，该系统由光热-光催化材料组成，可以通过光热蒸腾效应在带有烧焦的木质基材将液态水轻松转化为水蒸气。在光照下，蒸汽被装载在木材上的光催化剂同时分解成氢气。该设计展示了自生蒸汽/负载在碳化木材基底上的光催化剂/氢气的双相界面。

 

结果与讨论

 

结构表征：

CoO纳米粒子（NPs) 作为一种典型的光催化剂，被旋涂在碳化的木材切片上，构建木材/光催化剂光热-光催化体系（此处为木材/CoO体系），如图1a所示。

 

CoO NPs沿木材微通道壁分布约2 mm，从距顶面不同深度的拉曼光谱可以看出（图1b），其中距表面500 μm间隔的四个拉曼光谱显示在473.6和540.9 cm-1处有CoO拉曼特征峰。

 

当木材/CoO体系漂浮在水中时，木材在水中的浸没深度约为2 mm （图1c），表明光催化剂没有直接浸泡在液相水中。在木材上涂覆CoO NPs后，与纯木材相比，木材/CoO系统在300至1000 nm处显示出高吸光率，如图1d所示，这意味着木材/CoO系统可以有效地利用太阳能。

 

在光照下，木材/CoO系统的表面温度约为325 K（图1e），粘附的光催化剂被木材内部光热蒸腾产生的蒸汽覆盖。同时，光诱导电子参与光催化活性位点的析氢反应，光诱导空穴参与H2O2的生成（图1a）。

 

应当注意，基于电势（图1f和g），CoO NPs的局部温度被估计为346 K，由于纳米尺度效应，该局部温度高于全局温度（图1e中的325 K）。推测较高的局部温度有利于提高光催化反应效率。

 

图1设计的木材/光催化剂双相光热-光催化系统

（a）木材/光催化剂结构的制造过程示意图，

（b）间隔500 µm的木材/CoO微通道的横截面在不同深度获得的拉曼光谱，

（c）漂浮在水面上的木材/CoO系统的照片，

（d）木材和木材/CoO系统的反射光谱，

（e）光照下木材/CoO系统的红外辐射热图像，

（f）木材/CoO在光照下的电势图，

（g）通过测量电位估算的CoO NPs局部温度。

 

光催化性能测试：

图2a所示，不同负载量CoO NPs对光催化活性的影响，随着CoO NPs的负载量的增加出现先增加，后减少的变化。在之后的测试中都是以CoO NPs负载良为38 mg cm-2为负载量的测试。

 

此外，作者研究了在三相中以单独的CoO表现出的析氢活性明显低于两相（木材/CoO系统）的活性，如图2b所示。随着光强的增加，木材/CoO系统析氢速率几乎呈现线性增加，如图2c所示。在循环5天以后，其光催化活性发生略微的变化，说明设计具有很好的稳定性，如图2d所示。

 

最后，作者对光催化前后的催化剂形态进行分析，如图2e和f所示，在循环以后，木材/CoO系统中CoO结构并没有发生明显的变化，这与图2d表示的结果一致。

 

图2设计的木材/光催化剂双相光热-光催化系统中的光催化析氢：

（a）不同CoO质量负载的析氢速率，

（b）三相的CoO系统和两相的木材/CoO系统的析氢速率，

（c）不同光强在木材/CoO系统的析氢速率，

（d）木材/CoO系统的循环稳定性测试，

（e，f）分别表示光催化前后木材/CoO系统上的CoO的TEM以及对应的元素mapping。

 

相界面对催化性能的影响：

为了了解相界面对光催化性能的影响，作者使用注入水蒸汽/固体光催化剂的双相光催化系统进行了实验（图3a和c）。水蒸汽通过蒸汽流量计注入并控制到透明反应器中，在该反应器中，CoO NPs粉末催化剂被放置在滤纸的表面上，并且没有牺牲剂被添加到光催化系统中。

 

在光照下，反应器中的蒸汽被光催化转化为H2，这通过气相色谱（GC）检测（图3c）。为了比较，还包括了普通光催化析氢反应中水/光催化剂/氢气的液/固/气三相体系。

 

如图3b所示，当固体光催化剂在光照下与液态水相互作用时，会产生氢气泡，限制了液态水相的收集。从图3d可以看出，与水相反应相比，水蒸气的注入能够显著提升光催化析氢活性，并且在循环过程中能够保持很好的稳定性（图3e）。

 

反应前后，光催化剂CoO NPs的光学性能并没有发生明显的变化，如图3f所示。

 

图3 两相和三相反应体系中的示意性和光催化析氢性能：

（a，b）分别表示两相和三相反应中的示意图，

（c）两相中的反应装置，

（d）表示两相和三相反应中的反应过程，

（e）在两相中的循环稳定性测试，

（f）光催化反应前后CoO纳米粒子的吸收光谱。

 

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