CEJ|探索光热催化制氢的新策略和集成系统

研究背景

近几十年来，全球能源格局见证了前所未有的需求增长，化石燃料消费量激增引发了严重的环境退化和迫在眉睫的能源危机。这种紧迫的情况需要从根本上向清洁和可再生能源框架过渡，以实现可持续发展。氢能因其卓越的能量密度、无碳排放特性和广泛的适用性而成为未来碳中和能源系统的关键支柱。追求高效、稳定和具有成本效益的制氢技术现在既是一项关键的科学挑战，也是全球能源转型的基石。目前的氢气生产仍然在很大程度上依赖于化石燃料衍生的灰氢，该灰氢占全球产量的 95% 以上，主要通过在极端工艺条件下对传统碳氢化合物（如煤、石油和天然气）进行高能耗的热催化加工来合成。这些传统工艺不可避免地会释放大量绿色能源气体，造成不可持续的环境负担，这与碳中和经济体对绿色氢气不断增长的需求相矛盾。这种困境加强了研究工作，以开发利用太阳能将可再生原料可持续地转化为绿色氢的颠覆性战略，从而减少对化石燃料的依赖。

当代通过非化石路线生产绿色氢气主要采用两种技术途径：电催化和光催化。然而，由于高昂的材料/制造成本、缓慢的电极反应动力学和大量的欧姆损耗，电催化系统继续面临可扩展性挑战。相比之下，光催化系统通过其简化的反应器架构、外部电源独立性和在温和条件下的环境友好运行而具有固有的优势——这些特点使它们成为可持续制氢的潜在成本效益解决方案。然而，实际实施仍然受到基本限制的制约，包括狭窄的太阳光谱响应、光生载流子的快速复合和缓慢的表面氧化还原动力学。大多数报道的光催化制氢系统的商业化仍然受到阻碍，因为它们的太阳能制氢 （STH） 转换效率明显低于 5-10% 的实际可行性阈值。此外，光催化过程中不可避免的散热加剧了能量损失，对实际适用性造成了额外的限制。为了应对这些挑战，光热催化已成为最大限度地提高太阳能利用效率的创新范式。该策略将热驱动化学反应与光诱导活化机制相结合，产生互补效应，从而提高整体工艺效率。先进材料（包括等离子体金属、碳基复合材料和改性半导体）正在被设计成拓宽太阳吸收光谱，同时将光子转化为热能。这种光热协同效应通过利用热和非热太阳辐射效应，在相对温和的条件下实现高效的化学转化。最近的进展通过创新的系统集成策略提高了光热制氢的经济可行性，例如与太阳能界面蒸发系统耦合，以及为醇氧化、生物质转化和塑料升级再造开发增值联合生产计划——这些方法在生产高价值产品的同时解决环境挑战。最近的综述对材料改性和反应机理等特定方面进行了重点分析。然而，仍然缺乏针对光热增强催化系统优化及其与环境修复策略协同应用的全面审查。

研究结论

本文从三个方面系统地介绍了光热制氢的效率提高机制，并对水裂解和有机重整集成反应系统的结构创新进行了分析，特别强调了能量转化效率和增值产品耦合的突破性进展。随后，讨论扩展到多功能系统集成，展示了光热制氢与氨分解，水修复和混合能源收集系统的协同组合。关键的技术障碍和新兴的研究前沿，然后理性地分析，最终提出了一个跨学科的路线图，连接基本的光热现象与可扩展的清洁能源解决方案，同时推进材料设计范例耦合环境能源应用。

相关成果以“Exploring novelstrategies andintegrated systems for photothermacatalytic hydrogen production”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journa》（JCR一区，中科院一区TOP,IF=13.4）上。

研究数据

图1。光热催化产氢的协同效应。

图2。(a)在Rh/Cr2O3/Co3O4负载的InGaN/GaN纳米线光催化剂上，红外光促进的光催化总体水分解的示意图。(b)模拟太阳光下Rh/Cr2O3/Co3O4负载InGaN/GaN纳米线的温度依赖性STH效率。(c)模拟太阳光下Rh/Cr2O3/Co3O4负载InGaN/GaN纳米线的温度依赖性STH效率。(d)在Co3O4、Rh和Cr2O3上H2-O2复合的理论自由能分布。(e)在自热式光催化整体水分解系统中，在聚光（3800 mW/cm2）下，对负载Rh/Cr2O3/Co3O4的InGaN/GaN纳米线进行长期耐久性测试。

图3。(a)光热催化水蒸气裂解示意图。(b)横向红外图像中心线温度分布图。(c)K-STO与K-STO/TiN的STH效率比较。液-固和气-固体系（d）和PTC表面（e）的活化能计算。在不同温度下，液-固（f）和气-固（g）体系中的光催化反应在K-STO上的吉布斯自由能。C-MF/CIZS@Ru溶液在不同位置照射1 h后的温度变化（h）和热像（i）。(j)PC和PTC系统制氢过程示意图。

图4。(a)光热MSR反应途径示意图。550℃下1500-1000cm−1（B）和4000-3500cm−1（c）范围内光热磁共振和热磁共振的原位漂移谱。（d）在热催化失活和热载体辅助光催化再生过程中氧化和焦化的拟议机制示意图。(e)在各种催化过程中，金属物种（铜和铑）的分布，以总氧化物和金属物种的百分比表示。

图 5.（a）NiCo双金属催化剂上甲烷干重整的光热催化机理。（b）在700 ℃下12个周期内光照开启和关闭时的 MDR 性能，显示 H2和CO的产生。H2和CO在热（c）和（d） 光热催化下产率。（e）甲烷干重整的热和光热催化途径比较示意图。（f）甲烷干重整反应中催化性能的多维评价。

图 6.（a）Cu/Zn/Zr 氧化物复合纳米催化剂在协同光热催化制氢中的机理。（b） 使用NiFe NPs/GaN NWs从甲醇和水中光催化制氢的示意图。（c） 提出的太阳能驱动甲醇蒸汽重整在等离子体 ZnCu 合金上的机制。（d） 甲醇蒸汽重整中动态光活化过程的图示。（e）Cu/TiO2催化剂在 170 ℃下各种光照射下的H2产率。（f）室外流动光热催化甲醇重整制氢机理。（g）Bi2Te3/Cu基太阳能加热甲醇蒸汽重整装置的机理图。

图 7.（a） Ni/MgO 催化剂上纤维素蒸汽重整的示意图机理。（b） 串联并联光催化剂 Cu NPs/CdS/In2O3 用于光催化析氢与 FFA 选择性氧化成 FF 耦合的原理。

图 8.（a） LDPE 光热催化重整中光诱导碳纳米管 CNT）生长以析氢的示意图。（b）在不同温度下使用 NiTiAl 催化剂的 CNT 转化率和碳产率。（c）使用各种催化剂的光热过程中的 H2 产率和氢气效率，以及不同温度下 NiTiAl 的热处理结果。（d） 塑性重整析氢示意图，插图显示了 Pt/TiO2-x 中 785 nm 处近场电磁场分布的有限差分时域结果。（e）Pt/TiO2-x/Ti 的 H2 析出性与先前报道的催化剂的比较。（f）不同波长光照射下的 H2 生成速率。（g）镉基和贵金属/非贵金属光热催化剂的比较。

图 9.（a）在 160–240 ℃下 LD-Cu与光驱动（紫外-可见光照射）和热（暗）WGSR 的 H2 产生速率的比较。（b）阿伦尼乌斯图LD-Cu上的光驱动和热 WGSR。（c）不同光强下的光热催化析氢性能。（d） 环境温度下水催化 PDH 反应的示意图。CB和 VB表分别是导带和价带。（e）光热催化机理环己烷脱氢，包括两种可能的 RDS：光化学主导的 C-H键活化和热化学主导的 H 转移。（f）图像户外光热催化环己烷脱氢系统和自然太阳光的发射光谱。

图 10.（a）基于ZnCl2碳化木材的光热辅助大气水收集（AWH系统的概念设计，用于析氢）（b）通过夜间吸附和太阳能驱动解吸运行的自再生 AWH 装置。（c）热红外图像显示碳化木材的变化温度。（d） 不同光强下的光催化析氢性能。（e）基于CaCl2-PAAm水凝胶的光热辅助AWH系统的机理图。（f）AWH 系统的循环稳定性。

图 11.（a） 用于同时进行太阳能汽化和制氢的光热催化凝胶示意图。（b） 用于太阳能水分解和净化的混合 SVG-PC 片材的架构。（c） 水滴的接触角测量在原始 SVG 和疏水处理的 SVG 上。（d） 模拟和自然阳光下的综合 H2 演化和清洁水生成速率。（e） 用于同时生产水和氢。（f） CdS/MX-HM 中水和氢传质的机制。（g） CdS/MX-HM 中的主要光热机制。（h） 户外CdS/MX-HM 的光热催化性能。（i） CdS/MX-HM 与最近报道的 PTC 器件/材料的比较。

图 12.（a） 用于光催化剂制备的反应系统和雾化涂布方法的示意图。光触媒面板图片 （b） 表面使用 Ni-1.4-MCN 在 25 ℃ 下进行温度测量和光催化反应和 55 ℃ 下热催化反应的性能比较面板。（c） 太阳能加热与外部加热条件下的氢气生成速率比较。（d） Ru/GaN 界面上氨分解过程的示意图。（e） Ru NPs/ 上的 H2 析出速率GaN NWs/Si 在不同光谱范围内的光照射下。（f） 建议的示意图浓缩光热催化从尿素和尿液析氢中的协同作用。

图 13.（a）聚合物串联光热催化（PTPC）薄膜中的界面氧化还原反应示意图。（b）灵活的 PTPC 薄膜设计，包括从海水和塑料垃圾中生产 H2 的光热和光化学效应。（c）TiO2/Au 和 TiO2/Au/CuS 混合的 H2 析出活性紫外线和全光谱照射下悬浮液和薄膜体系中的催化剂。（d）PTPC 薄膜对无机和有机化合物的自清洁功能（e）PTPC 薄膜和 TiO2/Au 薄膜从海水和塑料废料中生产 H2的稳定性。（f）太阳能蒸汽生成与氢气生产耦合的界面示意图。（g）盐在水运中的扩散机制结构进行海水淡化。（h）比较有机污染水和纯净水的紫外-可见吸收光谱。

图 14.（a）光催化增强热原电池的示意图。（b）光催化增强热电流的工作原理显示热面和冷面的单元格。（c）在自然阳光下具有36个串联单元的大面积光催化增强热电流装置的示意图。（d）大面积光催化增强热电流器件的电压、功率、太阳强度和气体体积数据。PTC-TEG-PCM装置在白天（e）的照明模式和夜间（f）的黑暗模式下工作的示意图。（g）太阳能-氢气-电力-蓄热系统示意图。性能氢气生产量（h）和最大输出功率（i）的比较。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162794

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