光催化裂解大气水制氢耦合水收集与发电的多联产系统研究

本文创新性地设计了一种太阳能驱动氢-水-电(SHWE)多联产混合系统，通过光热催化多孔膜(PCPM)、吸湿水凝胶(MAH)和热电模块(TEGM)的协同作用，实现了大气水捕获、光催化制氢(28.24 mmol·m-2·h-1)、淡水收集(37.04 g·m-2·h-1)和发电(69.04 mW·m-2)的一体化，为干旱地区清洁能源与水资源联供提供了新范式。

　　

亮点

这项研究开创性地将大气水捕获与太阳能转化技术深度融合，通过精巧的系统设计实现了"一光三用"——太阳光既能驱动光催化反应制氢，又能通过余热回收产生淡水和电力。夜间系统还能自动补充大气水分，形成可持续循环。

混合系统的设计理念

SHWE多联产系统的核心由三大模块组成：负载光催化剂(TiO₂/Pt)的SiO₂多孔光热膜(PCPM)、聚丙烯酰胺-氯化钙(PAAm-CaCl₂)吸湿水凝胶(MAH)和热电发电模块(TEGM)。白天，PCPM将太阳光子转化为热能，触发MAH释放吸附水分子——部分水蒸气在催化剂表面裂解为氢气，其余冷凝为淡水；同时，余热通过TEGM转化为电能，板翅式散热器(PFR)显著提升热电转换效率。

实验材料

采用25nm二氧化钛(TiO₂)作为基础光催化剂，通过H₂PtCl₆?6H₂O溶液光沉积法负载铂(Pt)助催化剂。吸湿材料选用具有超高吸水性能(230%自重)的PAAm-CaCl₂水凝胶，其三维网络结构能快速捕获大气水分。

混合系统的可靠性评估

在0.6-1.4 kW·m^-2太阳辐照度测试中，系统表现稳定：当光强升至1.4 kW·m^-2时，水蒸气生成速率达144.27 g·m^-2·h^-1，淡水产量提升10倍至76.69 g·m^-2·h^-1。户外实测显示，系统日均产氢量146.16 mmol·m^-2，同时维持53mV稳定电压输出。

结论

该SHWE系统开创性地解决了传统光催化制氢对液态水的依赖问题，通过大气水捕获与余热梯级利用，将太阳能总利用率提升至新高度。其"夜间自再生"特性更使其在干旱地区具有独特应用优势，为能源-水资源协同供给提供了创新解决方案。