特別說明：本文由學研匯技術 中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
通過多相光催化將太陽能儲存在化學鍵中是可持續能源轉換的理想選擇。收集太陽能對于有效生成可再生能源、減少碳排放和修復水污染的多相光催化至關重要。在過去的幾十年里，通過各種方法，包括形態控制、元素摻雜、異質結的構建和缺陷工程，人們做出了顯著的努力來提高光催化劑的本征活性。
然而，光催化平臺的發展仍以下問題：
1、光催化平臺的開發及高效太陽能制H2尚未得到很好的探索
盡管最近在設計高活性光催化劑方面取得了進展，但光催化平臺的開發及其在高效太陽能氫生產尚未得到很好的探索。
2、光催化系統的設計對光催化放大至關重要
為了有效地放大光催化，光催化系統的設計十分重要。然而，目前開發的系統存在光電極和強制對流要求高、產品分離過程中可能發生的逆反應、光催化劑的連續浸出以及與緊密堆積的光催化劑之間的傳質不良等問題。
3、水凝膠可提高光催化效率但催化性能差、穩定性差
嵌入水凝膠中的光催化劑有可能提高光催化效率，但傳統的水凝膠-光催化劑納米復合材料通常浸沒在水中，催化性能不佳，且缺乏長期穩定性。
有鑒于此，韓國首爾基礎科學研究所Taeghwan Hyeon等人通過設計一個由多孔彈性體-水凝膠納米復合材料構成的可漂浮的光催化平臺來應對上述挑戰。空氣-水界面的納米復合材料具有高效的光傳輸、輕松的供水和瞬時氣體分離的特點。因此，即使沒有強制對流，使用 Pt/TiO2低溫氣凝膠也可以實現163mmolh–1m–2的高析氫率。當在1m2的面積內制造并結合經濟上可行的單原子Cu/TiO2光催化劑時，納米復合材料在自然陽光下每天可產生79.2ml的氫氣。此外，海水和高渾濁水的長期穩定產氫以及聚對苯二甲酸乙二醇酯的光轉化證明了納米復合材料作為商業上可行的光催化系統的潛力。
技術方案：
1、概述了可漂浮光催化納米復合材料
作者展示并詳細介紹流量納米復合材料的雙層結構，并基于之前的研究基礎，展示了納米復合材料的制備過程。
2、設計和表征了納米復合材料的材料
作者通過閃速冷凍技術降低了催化劑的密度，實現了納米復合材料的可漂浮行，并證明了復合二氧化硅氣凝膠的長期漂浮性。
3、探究了納米復合材料光催化制H2性能
作者對比了可漂浮和沉沒的納米復合材料光催化H2性能，結果表明可漂浮的納米復合材料的H2釋放速率增加了兩倍，且彈性體-水凝膠納米復合材料具有長期穩定性。
4、探索了納米復合材料的實際應用及放大
作者證實了納米復合材料在海水、高度渾濁的水條件下、塑料光重整的高性能以及長期穩定性，并將可漂浮光催化納米復合材料的尺寸分兩步放大證明了H2的可擴展生產。
技術優勢：
1、展示了具有高效的光傳輸、氣體分離和減少逆反應的可漂浮納米材料
為了最大限度地提高光催化活性，作者展示了一種使用多孔彈性體-水凝膠納米復合材料的可漂浮光催化平臺。可漂浮的納米復合材料位于空氣-水界面，具有高效的光傳輸、容易的氣體分離和減少的H2逆氧化。
2、實現了光催化劑的長期穩定性
將光催化劑固定在多孔彈性體-水凝膠混合體中，并對材料成分進行額外工程設計，可以提供出色的反應物供應，實現高漂浮性，防止催化劑浸出，并提供長期的材料穩定性。
3、實現了大規模太陽能制氫
作者展示了大規模太陽能制氫，在1m2的面積內使用單原子Cu/TiO2光催化劑時，納米復合材料在自然陽光下每天可產生79.2ml的氫氣。
技術細節
可漂浮光催化納米復合材料概述
納米復合材料具有雙層結構，上層是由親水性聚氨酯(HPU)和聚丙二醇(PPG)聚合物以及光催化劑組成的光催化層，下層是支撐層，由HPU和PPG的相同主鏈聚合物組成，使納米復合材料保持漂浮狀態。可漂浮的納米復合材料將上層光催化層暴露在水面之上，既可以實現高效的光傳輸，又可以最大限度地減少水引起的光衰減），并且可以輕松分離產生的H2氣體。納米復合材料的高孔隙率和親水性在為光催化劑提供容易獲取水方面也起著至關重要的作用。作者基于之前的研究基礎，展示了納米復合材料的制備過程。
圖 可漂浮光催化納米復合材料概述
納米復合材料的材料設計和表征
為了實現高可浮性，通過最小化光催化劑的密度來降低納米復合材料的總密度。具體來說，通過閃速冷凍技術將Pt/TiO2的密度降低了約 50%。Pt/TiO2低溫氣凝膠和Cu-SA/TiO2 NPs的電子顯微鏡和元素分析驗證了它們的形態和組成，骨架聚合物的多孔結構有助于降低納米復合材料的密度。此外，利用具有親水體和疏水表面的Janus結構，通過增強表面張力來最大化漂浮性，同時保持輕松的供水。催化層的可浮性低于支撐層，但通過添加疏水性二氧化硅氣凝膠可以改善其可浮性，作者證明了復合二氧化硅氣凝膠的長期漂浮性。
圖 納米復合材料的材料設計和表征
納米復合材料的H2生產
對于可漂浮和沉沒的納米復合材料，在類似于空氣質量(AM) 1.5G 條件的光強度下測量光催化H2的產生，其中嵌入Pt/TiO2低溫氣凝膠作為光催化劑。與沉沒的納米復合材料相比，可漂浮的納米復合材料的H2釋放速率增加了兩倍（163 mmol h–1 m–2）。隨著催化劑含量的增加，H2的產生得到增強，通過考慮催化活性和制造成本來選擇最佳的Pt濃度。此外，H2的釋放速率取決于模擬陽光的強度，證實了水對光的衰減對HER性能的影響。通過考慮光傳輸、氣體分離和H2逆氧化，對可漂浮和沉沒的納米復合材料進行了數值模擬，證實了可漂浮納米復合材料能夠實現更高效的HER。此外，作者還證明了彈性體-水凝膠納米復合材料的長期穩定性。
圖 納米復合材料的H2生產
納米復合材料的實際應用及放大
光催化劑的穩定固定和納米復合材料的高耐久性導致即使在海水中也具有高HER性能，其在自然海水環境中的長期穩定性。為了模擬真實環境中經常出現的高度渾濁的水條件，將兩種商業染料溶解在反應溶液中。結果表明，納米復合材料仍然漂浮在染料溶液上并且HER活性的降低可以忽略不計。作者還探究了塑料的光重整，納米復合材料到 H2證明由于其高材料即使在強堿性溶液中也具有耐久性。將可漂浮光催化納米復合材料的尺寸分兩步放大證明了H2的可擴展生產。這些大型納米復合材料中，Cu-SA/TiO2 NPs 代替 Pt/TiO2 低溫氣凝膠用作光催化劑，證明了納米復合材料的經濟可行性。此外，使用面積為100 m2 的可漂浮納米復合材料進行制H的計算模擬為工業規模生產H2提供了可能性。
圖 納米復合材料的實際應用
圖 納米復合材料的放大
總之，作者展示了一種由彈性體-水凝膠納米復合材料構成的可漂浮光催化平臺，展示了其在太陽能制氫方面優于傳統系統的優勢。即使沒有水的強制對流，使用Pt/TiO2低溫氣凝膠，可漂浮的光催化納米復合材料也表現出163 mmolh–1m–2 的高析氫率。通過使用Cu-SA/TiO2光催化劑進行1m2規模的H2生產和 100 m2規模的納米復合材料的模擬研究以及從海水中產生氫氣和光重整，實驗探索了納米復合材料在一般光催化應用中的潛力對環境有問題的塑料廢物。這些在各種現實環境條件下的可擴展性、材料耐久性和光催化活性的證明了可漂浮光催化納米復合材料的潛力。
參考文獻：
Lee, W.H., Lee, C.W., Cha, G.D. et al. Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01385-4
