前言：

最近，日本东京大学的 K.Domen 教授研究组设计了一种光催化剂颗粒镶嵌式的板式反应器。这种反应器不仅可以支持具有 10%太阳能转化产氢效率的水分解反应，而且能够达到至少1 平方米的规模。作者将Al 掺杂的SrTiO3 催化剂用于这个反应器，实现了1 平方米的高效太阳能分解纯水制氢。

研究背景：

通过光解水的方法，利用太阳能大量生产氢气，对解决能源危机和环境污染具有重要的应用前景。但是，至今为止，仍然鲜有大规模化的太阳能催化分解水产氢模型被提出。事实上，因为太阳光的能量密度很低，用于光解水的器件的可扩展性与高效率同样重要。对于光解水技术大规模化，其中一个挑战就是由于离子迁移距离过长所引起的溶液阻力以及液相中的传质问题。基于光催化剂颗粒的分解水反应，因为氢气和氧气产生于同一个颗粒上的相邻位置，能大大降低溶液阻力和浓差极化过电位。并且这个反应可以直接发生在纯水里，不需要加入电解质，从而被认为是一种可规模化，经济可行的太阳能制氢的途径。然而传统的催化剂粉末体系，由于难以回收等各种问题并不易于大面积利用。所以，光催化剂颗粒是否真的能够实现大规模的太阳能产氢，又如何实现呢，这一直是很多科研人员所关心的问题。

图文解析：

图1. SrTiO3:Al光催化剂的形貌和光解水性能

要点：作者通过熔盐法合成了 200-500 nm 的 Al 掺杂 SrTiO3 单晶 （SrTiO3：Al）。这种 SrTiO3：Al 单晶可以实现 0.6%的太阳能转化产氢效率，并且在 365 nm 的单色光照射下，具有56%的量子效率。

图2. SrTiO3:Al以片状和粉末状存在时的水分解性能时间曲线

要点：作者将SrTiO3：Al 颗粒镶嵌在5*5 cm 的玻璃板上。通过与传统粉末体系的对比实验发现SrTiO3：Al 的光催化性能并没有因为固定在玻璃板上而有大的折损

图3. 1*1 m 的光分解水产氢器件

要点：实现了 1*1 m 的光分解水产氢器件。当将这个反应器放置于东京九月的自然太阳光下，可以看到大量的气泡产生。这些气泡可以顺利地从反应器上端的排气孔排出并收集起来。通过计算得出，太阳光转化效率依然可以达0.4%。

图4. SrTiO3:Al太阳能板上的光催化水分解性能

要点：作者探索了反应器设计中可能会影响光催化分解水性能的因素。实验结果表明，1mm 的水层已经足以将大量的气泡转移到排气孔。反应器上部玻璃窗的亲水疏水性对气泡的形成以及转移有很大的影响。即使如此，催化剂的分解水性能并没有受到影响。

图4. 5 × 5 cm SrTiO3:Al板上负载CoOy或者RhCrOx 之后的光催化性能

全文小结：

• 大面积化的太阳能分解水制氢的实现；

• 光催化剂颗粒镶嵌式的板式反应器的设计不会折损光催化剂本身的催化性能；

• 在自然太阳光的照射下，这种有效面积为1 平方米的光催化分解水产氢器件可以达到0.4%的太阳光转化效率。

Kazunari Domen(堂免一成)

1976年、1979年、1982年在东京大学科学学院获得学士、硕士、博士学位。1982-2004年在东京工业大学从事助理研究员、副教授和教授， 2004年至今任东京大学工学院化学工程系教授，2017年起在日本信州大学能源与环境科学中心担任特聘教授。获得的荣誉奖项有：2007年获日本催化协会奖，2011年获日本化学会奖。研究兴趣有：光催化分解水研究、基于红外光谱的多相催化研究、基于非线性激光光谱的表面动力学反应研究，以及新型功能化催化材料的开发。Domen是可见光催化水分解领域(特别是Oxynitride等)的领军人物，他所提出来的GaN:ZnO体系一直是可见光催化水分解效率的记录保持者。Domen专注于传统光催化水分解领域，可以说是整个领域的守望者，有近40年的光催化研究生涯，在Nature, Nat. Mater. JACS等国际顶级期刊上发表论文多篇，他所撰写的很多综述也被众多初学者当做入门教材。

课题组主页：http://www.domen.t.u-tokyo.ac.jp/english/index_framepage_E.html

閱讀更多 研之成理 的文章

關鍵字: 东京大学 分解 环境保护