西工大李炫华团队Nat. Commun.：通过光热诱导双相系统提高水的光催化制氢

【引言】

太阳能驱动的水制氢是解决燃料生产的环境问题和全球能源危机的潜在有效途径。特别是氢气具有较高的能量容量（143 MJ kg^-1），且不释放有毒气体。因此，迫切需要一种高效、快速的光催化制氢方法。太阳能驱动的制氢系统主要有三种：颗粒光催化、光伏辅助电解（PV-E）和光电化学电池（PEC），其中颗粒光催化预计比其他两种系统更具成本效益。遗憾的是，尽管已经讨论了许多策略，包括结构和缺陷工程、等离子体效应和元素掺杂，以改善光催化剂的光学吸收和光诱导电荷分离和传输，但颗粒光催化的太阳能转换为氢气的效率仍然很低。

【成果简介】

近日，在美国特拉华大学魏秉庆教授、西北工业大学李炫华教授团队等人带领下，提出了一种高效的双相光催化系统，该系统由集成的光热和光催化材料组成，利用炭化木材基材将液态水转化为水蒸气，同时在光照明下分解氢，而不需要额外的能量。光热-光催化体系呈现出光热生成的蒸汽/光催化剂/氢气的双相界面，这大大降低了界面的势垒，将氢气的输运阻力大大降低了近两个数量级。在这项工作中，基于木材/CoO系统的颗粒光催化系统的产氢率达到了220.74 μmol h^-1cm^-2，证明了光热-光催化双相体系具有成本效益的，在实际应用中具有很大的优势。该成果以题为“Boosting photocatalytic hydrogen production from water by photothermally induced biphase systems”发表在了Nat. Commun.上。论文的第一作者来自西北工业大学博士生郭邵晖。

【图文导读】

图1 木材/光催化剂双相光热-光催化系统

a）木材/光催化剂结构的制造过程示意图，该结构产生水蒸汽并催化其分解产生氢气。

b）沿着木材/CoO微通道横截面500µm不同深度的拉曼光谱。

c）木材/CoO系统漂浮在水面上的照片。

d）木材和木材/CoO系统的反射光谱。

e）木材/CoO系统在光照下的红外辐射热图像。

f）木材/CoO在100 mW cm^-2光照下的电位。

g）通过测量的电位估算出CoO NPs的局部温度。

图2 木材/光催化剂双相光热-光催化系统中的光催化析氢

a）木材/CoO系统的质量负载依赖的光催化氢气产生速率（面积：7.85 cm²）。

b）三相CoO NPs系统和木材/CoO双相光热-光催化系统中H₂释放速率的比较（面积：7.85 cm²，质量：0.3 g）。

c）木材/CoO系统中H₂释放速率与太阳光强度的关系（面积：7.85 cm²，质量：0.3 g）。

d）木材/CoO系统随不同时间的光催化氢气产生率。光源是AM 1.5 G照度（100 mW cm^-2）的太阳模拟器。

e）在光催化反应之前，附着在木材微通道壁上的CoO NPs的TEM图像和EDS元素分布图。

f）在光催化反应后，附着在木材微通道壁上的CoO NPs的TEM图像和EDS元素分布图。

图3 在双相和三相反应体系中氢的示意图和光催化性能

a）水蒸汽/固体光催化剂/氢气的双相系统的示意图。

b）由液体水/固体光催化剂/氢气组成的典型三相系统示意图。

c）双相光催化系统的照片。

d）三相和双相反应系统的光催化氢气产率。

e）由不同时间水蒸汽产生的光催化氢气，流速为62 ml h^-1。光源是AM 1.5 G照度（100 mW cm^-2）的太阳模拟器。

f）CoO NPs在制氢前后的吸收光谱。

图4 控制双相光催化氢释放的因素：温度和水的液相变化

a）在三相反应体系中，CoO NPs的光催化析氢速率与反应温度的关系。

b）纯CoO表面不同温度下三相光催化反应的吉布斯能。光催化剂是CoO NPs。

c）与纯CoO表面上的双相系统（373 K）相比，三相系统（373 K）中的光催化反应的吉布斯能量。光催化剂是CoO NPs。

d）在液相和气相环境中氢传输阻力的示意图。

图5热-光催化双相体系光催化水析氢的普遍特征

a）木材/MoS₂的SEM图像和EDS图谱。

b）木材/C₃N₄的SEM图像和EDS图谱。

c）木材/TiO₂系统的SEM图像和EDS图谱。

d）木材/MoS₂、木材/C₃N₄和木材/TiO₂系统的析氢速率。

e）分别在TiO₂、C3N₄、MoS₂和Co基光催化剂的不同颗粒光催化体系中，将AQY与文献进行比较。

f）木材/CuS-MoS₂光热-光催化系统的SEM图像和EDS图谱。

g）目前报道的不同颗粒光催化体系析氢速率比较。右侧的蓝色字体表示在气相水环境中的光催化反应。光源是AM 1.5 G照度（100 mW cm^-2）的太阳模拟器。

【小结】

综上所述，团队设计并展示了一种集成的光热-光催化系统，帮助实现了微粒光催化剂中主要的光催化析氢速率为85604 μmol h^-1g^-1（即3271.49 μmol h^-1cm^-2）。这种优异的性能是通过将传统的三相光催化界面（液态水/光催化剂固体/氢气）替换为双相光催化界面（光热产生的水蒸汽/装载在炭化木质基质上的光催化剂/氢气）实现的。在太阳光的照射下，木质载体既能作为光催化剂基质，又能作为蒸汽发生器，在实际应用中具有明显优势。该光热-光催化系统降低了水分子吸附过程的障碍，最大限度地降低了产生的氢气的输送阻力，实现了高效、环保安全的下一代燃料的工业化应用。

文献链接：Boosting photocatalytic hydrogen production from water by photothermally induced biphase systems（Nat. Commun.，2021，DOI： 10.1038/s41467-021-21526-4）

【团队介绍】

李炫华，西北工业大学教授，伦敦玛丽女王大学客座教授，“馆藏壁画保护修复与材料科学研究”国家文物局重点科研基地副主任，香港大学电子工程系（光电子学）博士，纳米能源材料研究中心核心成员。从事纳米光电材料与文物保护材料相关研究。主持国家、省部级等各类项目10余项，授权国家发明专利19项，以第一作者或通讯作者在Nature Commun., Chem.Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Optical Mater. 等国际期刊上发表论文65篇，影响因子大于15的论文20篇，其中 8篇文章入选 ESI Top1%高被引论文，10 篇文章被选为封面。 入选国家万人计划“青年拔尖人才”，陕西省滚球体育 重点创新团队负责人，陕西省高层次人才“特支计划“青年拔尖人才，陕西省青年滚球体育 新星，西北工业大学翱翔青年学者等。

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西北工业大学李炫华团队依托西北工业大学材料学院和文化遗产研究院，欧洲杯微信投注 教授、副教授研究人员。研究方向：光催化制氢，二氧化碳还原和杀菌相关，应聘人员请发简历到 lixh32@nwpu.edu.cn。

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