第一作者：Takashi Hisatomi
通訊作者：Kazunari Domen
通訊單位：日本信州大學(xué)
核心內(nèi)容：
1. 闡述了大規(guī)模光解水產(chǎn)氫的顆粒狀光催化劑反應(yīng)系統(tǒng)
2. 分析了太陽能產(chǎn)氫系統(tǒng)的最大允許成本，實際規(guī)模的太陽能-燃料轉(zhuǎn)換的成本和效率目標(biāo)。
3. 討論了顆粒光催化劑材料的設(shè)計原理
4. 介紹了構(gòu)建大面積光催化反應(yīng)器的方法,并概述了開發(fā)有效且廉價的光催化劑系統(tǒng)的策略和挑戰(zhàn)。
未來可期
近10年來，全球一次能源消費平均每年增加1.7％，在2017年達到17.9 TW（太瓦）。到2030年，估計該數(shù)值將增加到22 TW。對化石燃料的嚴(yán)重依賴引起了人們對現(xiàn)代能源生產(chǎn)的可持續(xù)性和環(huán)境影響的擔(dān)憂，基于非均相半導(dǎo)體材料的光催化劑用于可再生太陽能產(chǎn)氫也受到越來越多的關(guān)注。
20世紀(jì)70年代早期，日本科學(xué)家Fujishima和Honda首次報道了在TiO2單晶光電陽極上的光電化學(xué)水氧化，昭示了半導(dǎo)體材料在將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并作為燃料儲存的巨大潛力。此后，基于各種顆粒狀半導(dǎo)體光催化材料相繼被開發(fā)，在水裂解產(chǎn)氫領(lǐng)域掀起一陣又一陣風(fēng)浪。
據(jù)計算，到達地球表面的太陽能量（大約1.3×105 TW）比當(dāng)前的全球能源消耗量高出3個數(shù)量級。氫在能量上屬于重量密集型，可儲存、可運輸，這些特性使氫氣成為太陽能儲存和運輸?shù)娜剂献罴押蜻x之一。此外，氫氣是各種催化過程的原料，可用于固定二氧化碳和氮氣以生產(chǎn)液體燃料。因此，光催化水裂解產(chǎn)氫過程可能潛在地解決與能源供應(yīng)和環(huán)境退化相關(guān)的挑戰(zhàn)，并有助于實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展。然而，開發(fā)完整、實用和可再生的太陽能產(chǎn)氫工藝仍然存在許多障礙。
有鑒于此，日本信州大學(xué)Kazunari Domen和Takashi Hisatomi對基于顆粒狀半導(dǎo)體材料光解水系統(tǒng)進行系統(tǒng)綜述，評估了實際規(guī)模的太陽能-燃料轉(zhuǎn)換的成本和效率目標(biāo)。隨后，作者討論了顆粒狀光催化劑材料的設(shè)計原理及案例分析，還提出了構(gòu)建大規(guī)模光催化水分解系統(tǒng)的策略和相關(guān)挑戰(zhàn)。最后，提出了可用于開發(fā)高效光催化劑和有效系統(tǒng)的技術(shù)。
圖1. 基于顆粒狀半導(dǎo)體材料大規(guī)模光解水產(chǎn)氫方案
圖2. 基于顆粒狀半導(dǎo)體材料光解水產(chǎn)氫的4種典型反應(yīng)器
圖3. 光催化水裂解能級圖
圖4. 基于NiO/NaTaO3:La的高效光催化水裂解原理示意圖
圖5. 大規(guī)模光解水裝置
圖6. 基于SrTiO3:Al的大面積（1X1 m）光催化水裂解面板
圖7. 窄帶寬半導(dǎo)體光催化劑光催化水裂解
參考文獻：
Takashi Hisatomi and Kazunari Domen.Reaction systems for solar hydrogen production via water splitting withparticulate semiconductor photocatalysts. Nature Catalysis 2019
DOI:10.1038/s41929-019-0242-6.
https://www.nature.com/articles/s41929-019-0242-6
