Nat. Nanotechnology:可漂浮光催化剂，大规模太阳能制氢

一、【导读】

收集太阳能对于有效生成可再生能源、减少碳排放和修复水污染的多相光催化至关重要。在过去的几十年中，科研学者对光催化剂进行了性能提升，例如形态控制、元素掺杂、异质结的构建和缺陷工程等。尽管最近在设计高活性光催化剂等方面取得了进展，但光催化平台的开发及其大规模应用在高效太阳能制氢（H₂）尚未得到很好的探索。传统的粉末光催化剂因团聚严重，光吸收有限，气体反应物可及性差以及难以重复使用等缺点，这极大地阻碍了其大规模应用。而可漂浮光催化剂能有效提高了反应物和光催化剂之间的接触。构建可浮于水面上的光催化材料还可以实现“光-材料-底物”的高效界面反应。另外，可漂浮光催化剂的三维网状结构可实现光生电子-空穴对的有效分离以及材料在可见光波段吸收能力的提高。因此，合理设计和开发可漂浮光催化平台对提升光催化性能和实际应用有着至关重要的作用。

二、【成果掠影】

近日，首尔国立大学Taeghwan Hyeon和Dae-Hyeong Kim等人成功设计了一种多孔弹性体-水凝胶纳米复合材料构建的可漂浮光催化平台。该纳米复合材料可漂浮光催化平台被证实了其在太阳能制氢方面优于传统系统。相关的研究成果以“Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production”为题发表在Nature Nanotechnology上。

三、【核心创新点】

1、作者报告了一种由弹性体-水凝胶纳米复合材料构建的可浮式光催化平台，该平台位于空气-水界面处，具有高效的光传输、易于气体分离和减少H₂逆氧化的特点。即使没有强制对流的情况下，也可以使用Pt/TiO₂可漂浮光催化纳米复合材料实现高达163 mmol h^–1m^–2的析氢量。

2、当在1 m²的面积上，通过将其与单原子Cu/TiO₂光催化剂结合，并且在自然阳光下，纳米复合材料每天可产生79.2 ml的氢气。此外，该材料在海水和高度浑浊的水中可以长期稳定的产生氢气以及聚对苯二甲酸乙二醇酯的光转化，证明了该纳米复合材料具有极大的商业应用潜力。

四、【数据概览】

图1可漂浮光催化纳米复合材料概览。©2023 Springer Nature

图2纳米复合材料的设计和表征。©2023 Springer Nature

图3纳米复合材料的H₂生产。©2023 Springer Nature

图4纳米复合材料的实际应用。©2023 Springer Nature

图5比例放大的纳米复合材料。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，作者提出一种由弹性体-水凝胶纳米复合材料构建的可漂浮光催化平台并展示其优异的太阳能产氢效率，并且在各种现实环境条件下的可扩展性、材料耐久性和光催化活性证明了可浮性光催化纳米复合材料的潜力。然而，利用可浮性纳米复合材料在商业规模上实现太阳能制氢还需要进一步的发展。为了提高光催化效率，还需要开发高性能光催化剂及其与纳米复合材料的整体集成。考虑到成本和环境问题，还需要使用水分解催化剂。此外，可以通过材料工程进一步提高HER性能，例如实现透明弹性体-水凝胶混合矩阵，从而促进入射光能的有效利用。该平台随着未来的发展，将对光催化的产业化产生重大影响。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01385-4

本文由K . L撰稿。