创新光催化系统：高效实现太阳能驱动水分解制氢与氧

太阳能驱动光催化水分解制氢面临诸多挑战，如光催化剂效率低、水氧化缓慢等。研究人员设计开发了一种新型光催化系统。该系统实现了高效整体水分解，太阳能 - 氢气转换效率达 2.47±0.03% 。为光催化系统设计提供新思路。

　　在当今能源领域，寻找可持续的清洁能源替代方案已成为全球关注的焦点。太阳能，作为一种清洁、取之不尽的能源，若能有效利用，将为缓解能源危机和环境问题带来曙光。其中，太阳能驱动的光催化水分解技术，有望把太阳能转化并存储为氢气（H₂），这种理想的无碳能源具有高能量密度和燃烧无污染的特性，为未来能源供应提供了极具潜力的解决方案。

然而，这一技术在实际应用中却困难重重。传统的光催化整体水分解（OWS）使用单一光催化剂时，由于热力学上较高的能垒（237 kJ mol^-1）和动力学上缓慢的氧化过程，导致太阳能 - 氢气（STH）转换效率一直处于较低水平。同时，光催化剂还面临着光吸收有限和载流子分离效率低等问题。尽管科研人员付出诸多努力来改善光吸收和电荷利用效率，但要同时优化这两个方面仍困难重重，实现令人满意的 STH 效率成为了该领域的一大挑战。

为了解决这些难题，山东大学的研究人员开展了深入研究。他们设计并开发了一种创新的光催化系统，该系统由两个独立的反应部分组成：一个是含有卤化物钙钛矿光催化剂（MoSe₂负载的 CH (NH₂)₂PbBr_3-xI_x）的析氢电池，另一个是含有 NiFe - 层状双氢氧化物（NiFe-LDH）修饰的 BiVO₄光催化剂的析氧电池。这两个部分通过 I₃^-/I^-氧化还原对连接，以促进电子转移，实现了高效的整体水分解，太阳能 - 氢气转换效率达到 2.47±0.03%。此外，研究人员还搭建了面积为 692.5 cm²的户外放大装置，在自然阳光照射下进行了为期一周的测试，平均太阳能 - 氢气转换效率达到 1.21% 。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为光催化系统设计提供了新的思路，增强了光催化水分解技术的效率和实用性，在太阳能制氢领域具有重要意义。

研究人员开展此项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是材料合成技术，通过多种化学方法分别制备了卤化物钙钛矿光催化剂（如 MoSe₂/FPBI）、BiVO₄薄膜以及 NiFe-LDH/BiVO₄薄膜等；其次是材料表征技术，利用 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等高精尖设备对材料的晶体结构、表面形貌和微观结构进行深入分析；最后是性能测试技术，借助光催化 H₂演化测量、太阳能 - 氢气转换效率（STH）计算以及光电流测试等手段，对光催化系统的性能进行全面评估 。

卤化物钙钛矿光催化剂

研究人员采用饱和溶液共沉淀法、光加速原位卤离子交换法和吸附法合成了 MoSe₂/FPBI 复合材料。通过 XRD、SEM、TEM、EDS 等多种表征手段，对材料的结构、形貌和元素分布进行分析，证实了复合材料的成功制备。DRS 光谱显示，材料的光吸收边发生红移，有利于光的吸收。通过 XPS 价带图和 Tauc 图确定了 FPBI 和 MoSe₂的能带对齐，这种对齐促进了光生电子的转移和电荷分离。单粒子光致发光显微镜研究表明，MoSe₂的负载有效抑制了电荷载流子的辐射复合。在光催化性能测试中，优化 MoSe₂负载量后，2 wt% MoSe₂/FPBI 复合材料的光催化析氢活性显著提高，其析氢速率达到 855.05±48.22 μmol h^-1，对应的 STH 效率为 5.54±0.31% ，且具有良好的稳定性。

集成太阳能驱动整体水分解

为实现整体水分解，研究人员利用 Z- scheme 配置设计了分离的析氢和析氧系统。通过两步反应验证了该设计的可行性：首先在无 H₃PO₂的氢卤酸溶液中进行光催化析氢反应，然后将析氢过程后富含 I₃^-的溶液作为电子受体溶液，与析氧反应共轭。在这个过程中，NiFe-LDH 修饰的 BiVO₄薄膜用于水氧化产生 O₂，并将 I₃^-还原为 I^-。最终，通过整个反应，实现了化学计量比的 H₂和 O₂分别产生和收集，STH 计算值为 2.47±0.03% ，处于已报道的光催化整体水分解系统的前列。但实验过程中也发现，随着测试循环次数增加，H₂产量会略有下降，主要原因是光催化剂在回收和再利用过程中有损失，且 I₃^-还原不完全。

大型户外水分解面板系统

为探索光催化系统的大规模应用，研究人员开发了面板反应器。将卤化物钙钛矿通过溶液处理滴铸法固定在丙烯酸塑料板上制备成光催化剂片，这种光催化剂片在模拟太阳光照射下表现出良好的光催化析氢活性。设计的大型测试反应器由串联的析氢和析氧子反应器组成，并通过蠕动泵连接循环。在山东大学晶体材料国家重点实验室进行的为期 7 天的户外测试中，五个模块单元集成展示了该系统在自然光照下的性能，实现了平均 1.21% 的 STH 效率，最高 STH 值达到 1.33%。不过，该放大系统也存在一些问题，如光催化剂膜从基板上部分剥离，影响了面板结构的稳定性，未来需要对粘结剂、基板和涂层方法进行改进优化。

综上所述，该研究成功构建了一种集成高效的太阳能驱动 Z- scheme 整体水分解系统，该系统通过 I₃^-/I^-氧化还原介质连接析氢和析氧两个独立电池，有效抑制了传统 Z- scheme 光催化系统中常见的逆反应和副反应，避免了复杂的气体储存和后分离过程，显著提高了太阳能 - 氢气转换效率。此外，该系统的设计和面板反应器模块易于串联放大，为提高太阳能驱动整体水分解系统的效率开辟了新途径。尽管目前该装置的 STH 效率在实验室规模上低于光伏驱动的电解水分解效率，但在简单性、成本效益和可扩展性方面具有优势。未来，随着对反应系统的进一步优化，有望实现更高的效率，为太阳能制氢的实际应用提供更有力的支持，推动清洁能源领域的发展。