西工大李炫華團隊Nat. Commun.：通過光熱誘導雙相系統提高水的光催化制氫 ?

【引言】

太陽能驅動的水制氫是解決燃料生產的環境問題和全球能源危機的潛在有效途徑。特別是氫氣具有較高的能量容量（143 MJ kg^-1），且不釋放有毒氣體。因此，迫切需要一種高效、快速的光催化制氫方法。太陽能驅動的制氫系統主要有三種：顆粒光催化、光伏輔助電解（PV-E）和光電化學電池（PEC），其中顆粒光催化預計比其他兩種系統更具成本效益。遺憾的是，盡管已經討論了許多策略，包括結構和缺陷工程、等離子體效應和元素摻雜，以改善光催化劑的光學吸收和光誘導電荷分離和傳輸，但顆粒光催化的太陽能轉換為氫氣的效率仍然很低。

【成果簡介】

近日，在美國特拉華大學魏秉慶教授、西北工業大學李炫華教授團隊等人帶領下，提出了一種高效的雙相光催化系統，該系統由集成的光熱和光催化材料組成，利用炭化木材基材將液態水轉化為水蒸氣，同時在光照明下分解氫，而不需要額外的能量。光熱-光催化體系呈現出光熱生成的蒸汽/光催化劑/氫氣的雙相界面，這大大降低了界面的勢壘，將氫氣的輸運阻力大大降低了近兩個數量級。在這項工作中，基于木材/CoO系統的顆粒光催化系統的產氫率達到了220.74 μmol h^-1 cm^-2，證明了光熱-光催化雙相體系具有成本效益的，在實際應用中具有很大的優勢。該成果以題為“Boosting photocatalytic hydrogen production from water by photothermally induced biphase systems”發表在了Nat. Commun.上。論文的第一作者來自西北工業大學博士生郭邵暉。

【圖文導讀】

圖1 木材/光催化劑雙相光熱-光催化系統

a）木材/光催化劑結構的制造過程示意圖，該結構產生水蒸汽并催化其分解產生氫氣。

b）沿著木材/CoO微通道橫截面500μm不同深度的拉曼光譜。

c）木材/CoO系統漂浮在水面上的照片。

d）木材和木材/CoO系統的反射光譜。

e）木材/CoO系統在光照下的紅外輻射熱圖像。

f）木材/CoO在100 mW cm^-2光照下的電位。

g）通過測量的電位估算出CoO NPs的局部溫度。

圖2 木材/光催化劑雙相光熱-光催化系統中的光催化析氫

a）木材/CoO系統的質量負載依賴的光催化氫氣產生速率（面積：7.85 cm²）。

b）三相CoO NPs系統和木材/CoO雙相光熱-光催化系統中H₂釋放速率的比較（面積：7.85 cm²，質量：0.3 g）。

c）木材/CoO系統中H₂釋放速率與太陽光強度的關系（面積：7.85 cm²，質量：0.3 g）。

d）木材/CoO系統隨不同時間的光催化氫氣產生率。光源是AM 1.5 G照度（100 mW cm^-2）的太陽模擬器。

e）在光催化反應之前，附著在木材微通道壁上的CoO NPs的TEM圖像和EDS元素分布圖。

f）在光催化反應后，附著在木材微通道壁上的CoO NPs的TEM圖像和EDS元素分布圖。

圖3 在雙相和三相反應體系中氫的示意圖和光催化性能

a）水蒸汽/固體光催化劑/氫氣的雙相系統的示意圖。

b）由液體水/固體光催化劑/氫氣組成的典型三相系統示意圖。

c）雙相光催化系統的照片。

d）三相和雙相反應系統的光催化氫氣產率。

e）由不同時間水蒸汽產生的光催化氫氣，流速為62 ml h^-1。光源是AM 1.5 G照度（100 mW cm^-2）的太陽模擬器。

f）CoO NPs在制氫前后的吸收光譜。

圖4 控制雙相光催化氫釋放的因素：溫度和水的液相變化

a）在三相反應體系中，CoO NPs的光催化析氫速率與反應溫度的關系。

b）純CoO表面不同溫度下三相光催化反應的吉布斯能。光催化劑是CoO NPs。

c）與純CoO表面上的雙相系統（373 K）相比，三相系統（373 K）中的光催化反應的吉布斯能量。光催化劑是CoO NPs。

d）在液相和氣相環境中氫傳輸阻力的示意圖。

圖5?熱-光催化雙相體系光催化水析氫的普遍特征

a）木材/MoS₂的SEM圖像和EDS圖譜。

b）木材/C₃N₄的SEM圖像和EDS圖譜。

c）木材/TiO₂系統的SEM圖像和EDS圖譜。

d）木材/MoS₂、木材/C₃N₄和木材/TiO₂系統的析氫速率。

e）分別在TiO₂、C3N₄、MoS₂和Co基光催化劑的不同顆粒光催化體系中，將AQY與文獻進行比較。

f）木材/CuS-MoS₂光熱-光催化系統的SEM圖像和EDS圖譜。

g）目前報道的不同顆粒光催化體系析氫速率比較。右側的藍色字體表示在氣相水環境中的光催化反應。光源是AM 1.5 G照度（100 mW cm^-2）的太陽模擬器。

?【小結】

綜上所述，團隊設計并展示了一種集成的光熱-光催化系統，幫助實現了微粒光催化劑中主要的光催化析氫速率為85604?μmol h^-1?g^-1（即3271.49?μmol h^-1?cm^-2）。這種優異的性能是通過將傳統的三相光催化界面（液態水/光催化劑固體/氫氣）替換為雙相光催化界面（光熱產生的水蒸汽/裝載在炭化木質基質上的光催化劑/氫氣）實現的。在太陽光的照射下，木質載體既能作為光催化劑基質，又能作為蒸汽發生器，在實際應用中具有明顯優勢。該光熱-光催化系統降低了水分子吸附過程的障礙，最大限度地降低了產生的氫氣的輸送阻力，實現了高效、環保安全的下一代燃料的工業化應用。

文獻鏈接：Boosting photocatalytic hydrogen production from water by photothermally induced biphase systems（Nat. Commun.，2021，DOI：?10.1038/s41467-021-21526-4）

【團隊介紹】

李炫華，西北工業大學教授，倫敦瑪麗女王大學客座教授，“館藏壁畫保護修復與材料科學研究”國家文物局重點科研基地副主任，香港大學電子工程系（光電子學）博士，納米能源材料研究中心核心成員。從事納米光電材料與文物保護材料相關研究。主持國家、省部級等各類項目10余項，授權國家發明專利19項，以第一作者或通訊作者在Nature Commun.,?Chem.Soc. Rev.,?Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Optical Mater. 等國際期刊上發表論文65篇，影響因子大于15的論文20篇，其中 8篇文章入選 ESI Top1%高被引論文，10 篇文章被選為封面。?入選國家萬人計劃“青年拔尖人才”，陜西省科技重點創新團隊負責人，陜西省高層次人才“特支計劃“青年拔尖人才，陜西省青年科技新星，西北工業大學翱翔青年學者等。

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西北工業大學李炫華團隊依托西北工業大學材料學院和文化遺產研究院，招聘教授、副教授研究人員。研究方向：光催化制氫，二氧化碳還原和殺菌相關，應聘人員請發簡歷到?lixh32@nwpu.edu.cn。?

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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