仿生双层水凝胶结合大气水收集与蒸汽驱动的太阳能氢气生产

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Bioinspired Bilayer Hydrogel Integrating Atmospheric Water Harvesting with Vapor-Fed Solar Hydrogen Production

　　

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  一种基于根叶结构的双层水凝胶能够实现利用大气水收集驱动的光催化氢气（H₂）生成。
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  互补的层结构能够实现水分捕捉、水分释放以及通过蒸汽介导的氢气输送。
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  局部光热加热有助于促进水分释放并维持界面的水分供应。
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  该系统在相对湿度为90%时，可实现5.2mmol m^-2 h^-1的氢气产量和1.12kg m^-2的冷凝物产量。

引言

随着全球能源危机的加剧和淡水资源的日益紧缺，开发低碳且可持续的氢气生产技术已成为一项紧迫的研究课题。光催化氢气生成（PHE）技术通过直接利用太阳能分解水而备受关注，因为它具有巨大的潜力。[1], [2], [3], [4], [5] 然而，传统的PHE系统严重依赖液态水（如纯水、海水或废水）作为反应物，[6], [7], [8], [9] 这限制了它们在资源分布不均地区的实际应用，尤其是在干旱地区、沙漠或远离电网的偏远地区，这些地方进行现场氢气生产非常困难。近年来，基于大气水收集（AWH）的氢气生产技术为没有液态水供应的场合提供了新的解决方案。[10], [11], [12], [13] 然而，仍存在两个主要问题：（1）吸附-解吸动力学缓慢，限制了氢气的产生速率；（2）在光热-光催化耦合过程中未反应的水蒸气被浪费，进一步加剧了水资源匮乏地区的淡水消耗。

当前的研究主要集中在开发先进的吸湿材料上，例如金属-有机框架（MOFs）和盐基复合材料，以便捕获大气中的水分用于光催化氢气生成。[13], [14], [15], [16], [17] Yan等人报告了一种由MOF-801、肼和SrTiO₃:Al组成的复合系统，在相对湿度为30%的情况下能够连续生产氢气。[18] Huang等人证明，Pt-TiO₂/PTFE光催化片与CaCl₂–PAAm吸湿水凝胶结合使用时，可以达到425.4 μmol g^-1 h^-1的氢气产生速率。[19] Li等人构建了一个多功能系统，基于LiCl/rGO/Nv-CN/Ov-BVO，可以同时产生淡水、氢气和氧气。[20] 尽管如此，光热驱动的水分释放、蒸汽供应以及界面水分的有效利用对AWH-PHE性能的影响仍不完全清楚，这阻碍了高效无牺牲剂系统的合理设计。

值得注意的是，从相关领域可以获得宝贵的见解，特别是在太阳能海水淡化领域，光热材料已被广泛用于通过高效的光能转换来促进水分蒸发。[21], [22], [23], [24] 最近的综述总结了热局部化和界面水分传输在太阳能驱动的蒸发和光热催化中的作用。[25], [26] 例如，Li等人开发了一种MWCNTs@NM88B复合材料，在太阳光照下实现了2.84 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率，并同时有效去除有机污染物。[27] 这类系统有效利用了由表面温度梯度诱导的热对流来改善蒸汽传输和蒸发效率。[28], [29] 相关的凝胶基水-催化剂平台也展示了将光热水分管理与催化转化相结合的可行性。例如，Ho等人报道了一种用于并行生产淡水和氢气的光热催化凝胶，而定制光谱的缺陷半导体气凝胶则实现了全光谱驱动的水分蒸发和光化学降解。这些研究强调了光谱调节和界面水分供应在集成太阳能水-能源系统中的重要性。[30], [31] 相比之下，尽管某些AWH-PHE系统中已经建立了湿度梯度，但光热调节的水分释放和界面水分输送的作用仍未得到充分阐明。此外，气相光催化水分解过程的能耗较低，因为水蒸气的标准吉布斯自由能（ΔG° = 228.6 kJ mol^-1）低于液态水（ΔG° = 237.2 kJ mol^-1）。[32]

基于以上考虑，本研究提出了一种受植物蒸腾-光合作用机制启发的双层水凝胶系统，用于辅助利用大气水收集的蒸汽驱动光催化氢气生成。该双层结构通过互补的吸湿层和光催化层实现了水分捕捉和光催化转化的集成。P(AcH)-LiCl吸湿层可以捕获、储存和释放大气中的水分，在相对湿度为30%–90%的情况下，其吸湿能力为1.50–4.07 g m^-1。Ag/TiO₂-P(HEA)层作为光热-光催化层，具有宽范围的太阳光吸收和光催化转化能力。在太阳光照下，吸湿层的水分释放以及光催化层的光热加热共同作用，改变了局部热环境和湿度环境，从而促进通过蒸汽将水分输送到光催化界面。这种封闭式装置能够将未反应的蒸汽回收为冷凝淡水。该AWH-PHE装置实现了5.2 mmol m^-2 h^-1的氢气产量和1.12 kg m^-2的冷凝物产量。这些结果证明了一种集成了大气水分捕捉、蒸汽输送、光催化氢气生成和冷凝物回收的双层平台。

章节片段

材料

本研究使用了丙烯酰胺（AAm）、2-羟基乙基丙烯酸酯（HEA）、氯化锂（LiCl）和二苯(2,4,6-三甲基苯甲酰)膦氧化物（TPO）纳米颗粒（P25，Degussa，德国）。硝酸银（AgNO₃，纯度99.8%）、甲醇（99.9%）和乙醇（95%）购自中国上海的中药化学试剂有限公司。

吸湿层水凝胶的制备

通过将0.5 mL的HEA和0.75 mg的TPO进行超声处理，制备了 precursor（称为溶液A）。溶液B是通过将0.5 g的AAm和0.75 mg的TPO溶解在0.5 mL的溶剂中得到的。

材料的合成与结构

图1a展示了双层大气水收集-光催化氢气生成（AWH-PHE）系统的结构设计和制造过程，包括一个光热催化顶层和一个吸湿底层。吸湿层是通过在饱和的LiCl溶液中一步UV引发的溶液聚合2-羟基乙基丙烯酸酯（HEA）和丙烯酰胺（AAm）来合成的，得到了P(AcH)-LiCl水凝胶。

结论

受到植物功能性分区机制的启发，我们开发了一种结合大气水收集和蒸汽驱动光催化氢气生成的双层水凝胶系统。P(AcH)-LiCl层捕获大气中的水分并释放储存的水分，而Ag/TiO₂-P(HEA)层则利用界面上的水分进行光催化氢气生成。这种双层结构实现了水分捕捉、水分释放和光催化过程的互补集成。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52276213）和中国博士后科学基金（项目编号2022M712517和2025T180158）的支持。作者感谢西安交通大学仪器分析中心的Jia Liu和Jiamei Liu在结构分析方面提供的帮助。

Weijie Yang|Yuanyong Cui|Lingfei Si|Cheng Cheng|Zhipeng Yu|Maochang Liu|Dengwei Jing|Jinwen Shi|Liejin Guo