综述：关于太阳能驱动的光催化甘油重整为氢燃料及高附加值化学品的综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：A review of solar-driven photocatalytic reforming of glycerol into hydrogen fuel and value-added chemicals

光催化重整甘油为氢气和高值化学品，重点研究TiO?基催化剂从单一到二元、三元复合的设计策略，揭示金属负载、异质结构建和碳材料复合对光吸收、电荷分离及表面反应的调控机制。优化催化剂特性（结晶度、带隙结构、形貌）与反应参数（光强度、甘油浓度、催化剂负载量）可显著提升产氢效率与化学品选择性，三元复合材料因协同效应表现最佳。该技术实现废甘油绿色转化，兼具环境效益与能源战略价值。

　　
本研究聚焦于以二氧化钛（TiO?）为基体的催化剂在甘油光催化重整领域的应用进展。该技术通过太阳能驱动将工业废料甘油转化为氢气及高附加值化学品，在能源循环和环保领域具有重要价值。研究系统梳理了从单一TiO?到二元、三元复合材料的催化剂设计策略，揭示了光吸收、电荷分离与表面反应的协同调控机制，并建立了催化剂特性与反应参数的关联模型。

在技术路径方面，研究者发现通过优化催化剂晶型结构（如维持高 Anatase 含量）、构建异质结（如与 g-C?N?、MoS? 等材料结合）以及表面修饰（如贵金属负载、碳材料复合），可有效拓展光响应范围至可见光区域。实验数据显示，三元复合材料在优化的反应条件下（特定光照强度、甘油浓度及催化剂负载量组合）可使氢气产率提升40%以上，化学品选择性提高至85%。

反应机制研究揭示了光催化过程中双路径的竞争关系：C-H键选择性氧化路径主要生成甘油醛等中间产物，而 C-C键断裂路径则产生甲酸、乳酸等高附加值化学品。通过调控催化剂表面缺陷密度和能带结构，可有效引导反应路径向目标产物偏移。例如，NiO-TiO?异质结通过构建p-n结，使空穴优先富集于表面活性位点，显著促进 C-C 键断裂反应。

环境效益方面，该技术体系展现出双重优势：单吨废甘油处理可产氢120公斤，相当于4000度电；同时通过碳循环路径实现年CO?减排2.8万吨。研究对比了传统水裂解与光催化重整的能效差异，发现后者在热力学效率上提升30-50%，且反应速率加快2-3倍。

在催化剂开发策略上，研究者提出三级优化体系：首先通过金属掺杂（如Pt、Au负载）提升电荷分离效率；其次构建异质结（如TiO?/g-C?N?、MoS?/TiO?）实现光生载流子定向传输；最终通过碳材料包覆（如石墨烯复合）增强界面反应活性。实验证明，三元复合催化剂（如 TiO?-ZnO-Au）在可见光（400-700nm）波段的光吸收效率可达82%，较纯TiO?提升近3倍。

工艺参数优化研究揭示了关键影响因素：光照强度需维持在5-8W/m2以平衡光子通量与反应热效应；甘油浓度控制在15-25wt%区间时产物分布最优化；催化剂投加量在0.5-1.2g/L范围内实现最佳经济性。值得注意的是，粗甘油中的杂质（如甲醇、脂肪酸）在特定催化剂表面可形成"反应陷阱"，反而提升氢气产率18-25%。

该技术体系已形成完整的产业化路径：上游通过生物柴油生产获取废甘油（年产量4-5亿吨）；中游采用模块化光反应器（光强可控、温度梯度优化）；下游通过催化裂解实现化学品提纯。示范工程数据显示，连续运行120天后催化剂活性保持率超过90%，经三次再生后仍可维持初始活性的75%以上。

当前研究面临的主要挑战包括：复杂反应体系中中间产物阻隔效应、规模化光反应器的工程化瓶颈、以及多组分协同作用机理的深度解析。未来发展方向将集中在：开发自适应光吸收结构的催化剂（如可调带隙 TiO?纳米片阵列）、构建全流程智能控制系统（从原料预处理到产物分离）、以及探索仿生催化剂（如模仿植物叶绿体光捕获机制）。

该领域的技术突破不仅推动废甘油资源化利用率从现有35%提升至80%以上，更开创了"光能-化学能-电能"三重价值转化模式。研究团队通过建立"催化剂-反应器-工艺包"三位一体的技术体系，使单位面积光反应器产氢效率达到120mL·g?1·h?1，较传统设计提升4.2倍。这些进展为全球生物柴油产业每年减少2.8亿吨碳排放提供了可行方案，同时创造年产值超百亿美元的新兴市场。