Nat. Nanotechnology:可漂浮光催化劑，大規模太陽能制氫

一、【導讀】

?? ?收集太陽能對于有效生成可再生能源、減少碳排放和修復水污染的多相光催化至關重要。在過去的幾十年中，科研學者對光催化劑進行了性能提升，例如形態控制、元素摻雜、異質結的構建和缺陷工程等。盡管最近在設計高活性光催化劑等方面取得了進展，但光催化平臺的開發及其大規模應用在高效太陽能制氫（H₂）尚未得到很好的探索。傳統的粉末光催化劑因團聚嚴重，光吸收有限，氣體反應物可及性差以及難以重復使用等缺點，這極大地阻礙了其大規模應用。而可漂浮光催化劑能有效提高了反應物和光催化劑之間的接觸。構建可浮于水面上的光催化材料還可以實現“光-材料-底物”的高效界面反應。另外，可漂浮光催化劑的三維網狀結構可實現光生電子-空穴對的有效分離以及材料在可見光波段吸收能力的提高。因此，合理設計和開發可漂浮光催化平臺對提升光催化性能和實際應用有著至關重要的作用。?

二、【成果掠影】

? ?近日，首爾國立大學Taeghwan Hyeon和Dae-Hyeong Kim等人成功設計了一種多孔彈性體-水凝膠納米復合材料構建的可漂浮光催化平臺。該納米復合材料可漂浮光催化平臺被證實了其在太陽能制氫方面優于傳統系統。相關的研究成果以“Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production”為題發表在Nature Nanotechnology上。

三、【核心創新點】

1、作者報告了一種由彈性體-水凝膠納米復合材料構建的可浮式光催化平臺，該平臺位于空氣-水界面處，具有高效的光傳輸、易于氣體分離和減少H₂逆氧化的特點。即使沒有強制對流的情況下，也可以使用Pt/TiO₂可漂浮光催化納米復合材料實現高達163 mmol?h^–1m^–2的析氫量。

2、當在1?m²的面積上，通過將其與單原子Cu/TiO₂光催化劑結合，并且在自然陽光下，納米復合材料每天可產生79.2?ml的氫氣。此外，該材料在海水和高度渾濁的水中可以長期穩定的產生氫氣以及聚對苯二甲酸乙二醇酯的光轉化，證明了該納米復合材料具有極大的商業應用潛力。

四、【數據概覽】

圖1可漂浮光催化納米復合材料概覽。?2023 Springer Nature

圖2納米復合材料的設計和表征。?2023 Springer Nature

圖3 納米復合材料的H₂生產。?2023 Springer Nature

圖4納米復合材料的實際應用。?2023 Springer Nature

圖5 比例放大的納米復合材料。?2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

?? 綜上所述，作者提出一種由彈性體-水凝膠納米復合材料構建的可漂浮光催化平臺并展示其優異的太陽能產氫效率，并且在各種現實環境條件下的可擴展性、材料耐久性和光催化活性證明了可浮性光催化納米復合材料的潛力。然而，利用可浮性納米復合材料在商業規模上實現太陽能制氫還需要進一步的發展。為了提高光催化效率，還需要開發高性能光催化劑及其與納米復合材料的整體集成。考慮到成本和環境問題，還需要使用水分解催化劑。此外，可以通過材料工程進一步提高HER性能，例如實現透明彈性體-水凝膠混合矩陣，從而促進入射光能的有效利用。該平臺隨著未來的發展，將對光催化的產業化產生重大影響。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01385-4

本文由K . L撰稿。