激光与电场协同驱动甲醇蒸气高效制氢：基于石墨烯气凝胶电极的光电催化新策略

本研究针对绿色氢能生产中的效率瓶颈，创新性地结合激光诱导电离(LII)与电场电离(EFI)技术，以石墨烯气凝胶(GA)为双功能电极/光靶，实现了甲醇蒸气90%转化率的高效制氢，且无CO2 排放。该混合(EFI+LII)工艺为分布式氢能系统提供了可持续解决方案，相关成果发表于《Results in Chemistry》。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体面临两大核心挑战：传统制氢工艺的碳排放问题，以及分布式场景下的高效转化技术瓶颈。甲醇因其高氢密度(99 kg/m³
)和生物质来源潜力成为理想氢源，但现有催化方法普遍存在效率不足或副产物复杂等问题。针对这一难题，中国研究团队在《Results in Chemistry》发表突破性成果，开发出激光与电场协同驱动的甲醇制氢新体系，首次实现近90%转化效率的"准绿色"氢能生产。

研究采用三项关键技术：1）石墨烯气凝胶(GA)电极构建，兼具光学靶材与电子发射功能；2）980 nm连续波(CW)激光诱导多光子电离，产生热电子(e^-
)；3）直流电场(5W)协同激发非热等离子体。通过AutoChem II 2920催化工作站联用质谱(QMS-200)和色谱(GC-TCD)，实时监测Ar/甲醇混合气(总流速10 ml/min)的转化动态。

【实验结果】

1. 光电协同机制：激光照射GA靶材引发多光子吸收(G + {N?ω}→G⁺

• e^-
  )，电场进一步加速电子雪崩(e^-
  →n e^-
  )，双路径电离使甲醇分解效率较单一技术提升30%。

1. 产物调控特性：LII过程完全抑制CH₄
   生成，混合(EFI+LII)工艺在8.3%甲醇浓度下获得最佳转化率(91.7%)，产物以H₂
   (5.7%)和CO(3.5%)为主，符合合成气需求。

2. 浓度适应性：EFI在低浓度(0.9%)时转化率达68%，而LII在高浓度(14.9%)展现优势，混合工艺全程保持80-90%效率，突破传统方法对原料浓度的敏感限制。

【结论与意义】
该研究开创性地将GA的光电催化特性与等离子体技术结合，证实：1）激光诱导电子发射可突破传统催化活化能壁垒；2）电场辅助使电子平均自由程优化，解决气相传输损耗；3）系统在1小时连续运行中保持稳定（支持信息Fig.S7）。相较于Ulejczyk等报道的等离子体法[10]或Zhang的旋转滑动弧反应器[11]，本方案在能效比(4.3W激光+5W电力)与环保性(无CO₂
)方面具有显著优势。

这项技术为微型化氢能装置提供了新思路：GA电极的机械稳定性（支持信息Fig.S2）与激光二极管的商用可行性，使其特别适合与燃料电池集成。未来通过优化GA孔隙率（支持信息Fig.S1）和激光波长，有望进一步降低甲烷副产物(当前0.56%)，推动"甲醇氢经济"的实用化进程。