近日，廈大黃文財(cái)教授與福州伏智光催化研究中心呂鋒仔先生和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)董振超教授合作，在光解海水制氫領(lǐng)域取得“芯”突破，相關(guān)成果以“Porous microreactor chip for photocatalytic seawater splitting over 300 hours at atmospheric pressure”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》上（IF=31.6），并獲得人民日?qǐng)?bào)報(bào)道。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Ag3PO4/CdS多孔微反應(yīng)器芯片刷新了光解天然海水制氫在常溫、常壓下的光氫轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)記錄。

研究背景

綠色氫能是最理想、最清潔的可再生能源，目前制備綠氫方式主要有三種，光解水制氫作為其中之一，已被列為中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院重點(diǎn)新興前沿項(xiàng)目。相較于光伏電催化制氫和光電化學(xué)制氫，光解水制氫系統(tǒng)最為簡(jiǎn)潔、成本最低因而極具產(chǎn)業(yè)化前景。由于淡水資源稀缺性，光解海水制氫比光解淡水制氫更具競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，能在常壓常溫下正常運(yùn)行的光解海水制氫系統(tǒng)可有效降低對(duì)環(huán)境條件的要求。然而，目前面臨挑戰(zhàn)是：現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道光解海水制氫系統(tǒng)穩(wěn)定性基本上只有約10個(gè)小時(shí)，而近常壓常溫下光解水光氫轉(zhuǎn)化效率（STH）最高為0.41%，離產(chǎn)業(yè)化還有很大差距。

圖1 光催化芯片設(shè)計(jì)示意圖及空間電荷區(qū)內(nèi)的厚度-能帶彎曲KPFM圖

研究?jī)?nèi)容

以高效光解海水制氫產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，本研究設(shè)計(jì)并開發(fā)出基于空位工程的Ag3PO4/CdS多孔微反應(yīng)器芯片，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)性能上的重大突破：

提出在多孔基底上沉積薄膜的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)出性能優(yōu)異的Ag3PO4/CdS半導(dǎo)體芯片，其在天然海水中實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定性超過300小時(shí)，遠(yuǎn)超領(lǐng)域中約10小時(shí)的耐久瓶頸。采用通氧沉積使芯片表面富硫富銀空位，確保了該芯片對(duì)硫物種的選擇性吸附和對(duì)其它雜質(zhì)的排斥性，打破了光解水體系在海水中運(yùn)行相較于純水中耐久顯著下降的固有認(rèn)知。此外，階梯式電荷轉(zhuǎn)移確保了載流子的空間分離，解決了Ag3PO4和CdS材料極易光腐蝕的難題。

Ag3PO4/CdS半導(dǎo)體芯片在天然海水中的STH效率達(dá)到0.92%（模擬自然環(huán)境的常溫/常壓條件下），而目前在近常壓/常溫下已報(bào)道的最高STH效率為0.41%?？臻g電荷區(qū)內(nèi)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)并進(jìn)行厚度調(diào)控在保留Ag3PO4和CdS強(qiáng)氧化還原能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了良好的載流子動(dòng)力學(xué)；不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)特征使活性位點(diǎn)最大化，進(jìn)而呈現(xiàn)高光解水活性；分層結(jié)構(gòu)避免氫氧生成后復(fù)合發(fā)生，使其能在環(huán)境條件下高效工作。

完成首個(gè)全太陽能驅(qū)動(dòng)制氫模塊設(shè)計(jì)與戶外自然條件下光解海水制氫實(shí)驗(yàn)。通過陣列方式構(gòu)建出具有25個(gè)反應(yīng)單元的制氫模塊，在無人工對(duì)流、溫度控制和真空處理等任何其它條件輔助情況下，成功在戶外實(shí)現(xiàn)了80.55 mmol h?1 m?2的析氫速率。該系統(tǒng)展現(xiàn)出向大面積靈活拓展的潛力和在實(shí)際應(yīng)用中快速組裝與更換故障反應(yīng)單元的優(yōu)勢(shì)。

圖2 Ag3PO4/CdS芯片穩(wěn)定性測(cè)試和戶外自然光照條件下制氫模塊實(shí)驗(yàn)

研究相關(guān)

該工作在電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院黃文財(cái)教授、福州伏智光催化研究中心呂鋒仔先生和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)董振超教授的共同指導(dǎo)下完成。電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生朱德勝和助理教授董志鵬為該工作的共同第一作者。這一工作得到了福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項(xiàng)目（2023H6003）和福州伏智光催化研究中心的資助。