大牛Domen:大规模光解水产氢的未来之路!
晴天 纳米人 2019-03-13

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第一作者:Takashi Hisatomi

通讯作者:Kazunari Domen

通讯单位:日本信州大学

 

核心内容:

1. 阐述了大规模光解水产氢的颗粒状光催化剂反应系统

2. 分析了太阳能产氢系统的最大允许成本,实际规模的太阳能-燃料转换的成本和效率目标。

3. 讨论了颗粒光催化剂材料的设计原理

4. 介绍了构建大面积光催化反应器的方法,并概述了开发有效且廉价的光催化剂系统的策略和挑战。

 

未来可期


近10年来,全球一次能源消费平均每年增加1.7%,在2017年达到17.9 TW(太瓦)。到2030年,估计该数值将增加到22 TW。对化石燃料的严重依赖引起了人们对现代能源生产的可持续性和环境影响的担忧,基于非均相半导体材料的光催化剂用于可再生太阳能产氢也受到越来越多的关注。

 

20世纪70年代早期,日本科学家Fujishima和Honda首次报道了在TiO2单晶光电阳极上的光电化学水氧化,昭示了半导体材料在将光能转化为化学能,并作为燃料储存的巨大潜力。此后,基于各种颗粒状半导体光催化材料相继被开发,在水裂解产氢领域掀起一阵又一阵风浪。

 

据计算,到达地球表面的太阳能量(大约1.3×105 TW)比当前的全球能源消耗量高出3个数量级。氢在能量上属于重量密集型,可储存、可运输,这些特性使氢气成为太阳能储存和运输的燃料最佳候选之一。此外,氢气是各种催化过程的原料,可用于固定二氧化碳和氮气以生产液体燃料。因此,光催化水裂解产氢过程可能潜在地解决与能源供应和环境退化相关的挑战,并有助于实现社会可持续发展。然而,开发完整、实用和可再生的太阳能产氢工艺仍然存在许多障碍。

 

有鉴于此,日本信州大学Kazunari Domen和Takashi Hisatomi对基于颗粒状半导体材料光解水系统进行系统综述,评估了实际规模的太阳能-燃料转换的成本和效率目标。随后,作者讨论了颗粒状光催化剂材料的设计原理及案例分析,还提出了构建大规模光催化水分解系统的策略和相关挑战。最后,提出了可用于开发高效光催化剂和有效系统的技术。

 

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图1. 基于颗粒状半导体材料大规模光解水产氢方案

 

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图2. 基于颗粒状半导体材料光解水产氢的4种典型反应器


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图3. 光催化水裂解能级图

 

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图4. 基于NiO/NaTaO3:La的高效光催化水裂解原理示意图

 

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图5. 大规模光解水装置


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图6. 基于SrTiO3:Al的大面积(1X1 m)光催化水裂解面板


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图7. 窄带宽半导体光催化剂光催化水裂解

 

参考文献:

Takashi Hisatomi and Kazunari Domen.Reaction systems for solar hydrogen production via water splitting withparticulate semiconductor photocatalysts. Nature Catalysis 2019

DOI:10.1038/s41929-019-0242-6.

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0242-6

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