大规模利用水生产太阳能制氢的研究进展

EnergyChem

2019-11-09

第一作者：Guanyu Liu, Yuan Sheng

通讯作者：Rong Xu

通讯单位：新加坡南洋理工大学

核心内容：

1. 分别讨论了太阳能制氢的四种方法：光催化法、光生物法、太阳能热法和光电化学法，强调了大规模生产的放大体系和新兴趋势。

2. 针对每一种制氢方式，讨论了其反应机理、材料开发、系统配置、实验室演示和实际性能。

3. 详细地评估了各种方法的局限性包括大量生产的效率、扩展性和持久性。还通过经济技术分析，对四种制氢方式的输出成本进行了比较。

太阳能进行水制氢研究进展

氢在工业生产上广泛地运用于甲醇生产、石油加氢裂化、化肥合成以及新兴市场上驱动汽车的混合氢燃料电池。传统的制氢方式有甲烷重整和煤气化。为了减轻环境问题，利用太阳能进行水制氢是一种很有潜力的可持续发展的制氢方式。在过去的几十年里，研究者们在太阳能驱动水裂解的效率和稳定性上取得了很大的进步，但仍然不能与大规模生产的化石燃料产氢相匹敌。研究集中在提高性能，延长使用寿命，减低成本到最终的大规模生产。这些研究已经取得了重要突破（Scheme 1）。

总数简介

本综述总结了四种获得太阳能驱动制氢的方式，即光催化法、光生物法、太阳能热法和光电化学法。针对每一种方式，文章讨论了其反应机理、材料开发、系统配置、实验室演示和实际性能。最后还通过技术经济分析，对四种制氢方式的输出成本进行了比较。

Scheme 1. Timelineshowing the key developments in solar hydrogen production from water andpredictions about the threshold requirements of the four solar hydrogenproduction pathways to be achieved in the near future.

要点1：光催化水裂解

文章从光催化剂和反应体系设计对光催化水裂解部分做了总结。首先介绍了光催化水解的机理。然后文章阐述了光催化剂的设计策略，大规模的批次合成以及连续合成。接着就工业制氢的反应器设计从安全、水动力设计以及逆反应的抑制和光设计做了详细说明。最后展示了中试进展。Fig. 1. 所示为目前最大规模的光催化水裂解设备。其总受光面积为103.7 m²，平均产氢速率达26.7 L h⁻¹。

Fig. 1. Schematic diagram and photo of a pilot plant for photocatalyticwater splitting.

2. 光生物法制氢

首次光生物法产生分子氢报道于1942年。在过去的二十年，光生物产氢越来越受关注，因为它具有温和的生化反应条件和理论上的负碳足迹。光生物产氢已经在微藻、蓝藻和紫色非硫细菌中观察到，且遵循不同的机理。微藻和蓝藻可以直接生物光解水，其机理见Fig. 2. 紫色非硫细菌需在光照下对有机底物进行发酵方能产氢。文章从光生物性能的提高策略和中试规模的展示方面做了详述。目前利用紫色非硫细菌进行光发酵的试验已达到37.3 m³ d⁻¹的产氢规模。

Fig. 2.Simplifiedillustration of hydrogen-related metabolic pathways in green algae.

要点3：太阳能热水裂解

太阳能热水裂解利用聚光太阳辐射的热效应维持反应器的高温驱动水裂解。此方法可生产用于储存和运输的氢能。在过去的几十年里，各种类型的太阳能收集器和接收器已经获得开发和商业化。因此，将热化学水裂解和现存的太阳能收集器整合在一起进行大量的氢生产是可行的。如Fig. 3. 向我们展示了太阳热能转化为燃料的一种实现方法。文章对太阳能热产能材料的多级循环使用和太阳能热的生产放大两方面做了详述。

Fig. 3. Schematic of the solar reactor for the two-step,solar-driven thermochemical production of fuels.

要点4：光电化学水裂解

光电化学水裂解装置将光能转化为化学能有三种组合方式，见Fig. 4.。一是全集成/无线设备，此设备中，光吸收剂和析氧、析氢催化剂均有物理接触。二是半集成/有线光电化学设备，此设备中，析氧和析氢催化剂二者之一与光吸收器是物理接触的，而另一催化剂在另一个电极上通过外部接线连接。三是非集成/模块设备，此设备包含两部分，即光伏电池和电解槽，它们通过外部接线组合。文章详细地对这三种设备进行了讲解。Fig. 5. 所示辅以硅光伏器件驱动的CoPi/Mo:BiVO₄/Co半集成设备最大产氢速率超过11 L h⁻¹。

Fig. 4. Schematic ofthree photoelectrochemical water splitting approaches. (a) Fully integrated/wirelessPEC device; (b) partially integrated/wired PEC device; (c)non-integrated/modular PEC device.

Fig. 5. (a) Photograph and (b)close view of the 1.6 m² Artiphyction prototype made of 100 PEC cells(each of them included an 8 × 8 cm² BiVO₄-based photoanodeand Co nanoparticles ascathode)for direct hydrogen production via solar-driven water splitting. (c) J-V curve for a single PEC window. Blue line: I-V powergeneration curve of the Si PV for each window; red and black line/dotted line:initial and final PEC cell performance under 1 sun irradiation (AM 1.5 G);light-blue lines: possible performance degradation of a PEC cell prototype.

要点5：经济技术分析

文章详细地从经济技术方面对四种方式进行了分析比较。

Table 1.Comparison of solar H₂ productiontechnologies.

小结

本文就太阳能制氢的的方式进行了总结，主要包含了四种方式，即光催化、光生物、太阳能热光电化学制氢。重点总结了大规模生产的研究现状。文章总结了各种方式的制氢的优势以及局限性。作者提出由于各种方式的效率、花费以及系统的复杂性，无法预测哪一种更具有发展潜力。最后作者提出展望，除了研究者克服基础研究的各种困难，也希望更多的研究者能够加入，这样可以累积更多的基础数据。希望最终的研究结果能够应用于实际生产。

参考文献

Research advancestowards large-scale solar hydrogen production from water. Guanyu Liu, Yuan Sheng,Joel W. Ager, Markus Kraft, Rong Xu

EneryChem, 2019.

DOI:10.1016/j.enchem.2019.100014

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258977801930017X

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作者简介：

Guanyu Liu is a Research Fellowat the School of Chemical & Biomedical Engineering, Nanyang TechnologicalUniversity (NTU) and Cambridge Center for Advanced Research and Education inSingapore (CARES). He received his Ph.D. degree at the Australian NationalUniversity in 2017. His-research is focused on the nanostructured catalysts for(photo)electrochemical water splitting and carbon dioxide reduction.

YuanShengisa Research Fellow at the School of Chemical & Biomedical Engineering,Nanyang Technological University (NTU) and Cambridge Center for Advanced Researchand Education in Singapore (CARES). He obtained his Ph.D. degree at theNational University of Singapore in 2016. His-current research includes flame synthesis of nanomaterials, water splitting,and CO₂ utilization.

Rong Xuis a Professor at the School of Chemical & BiomedicalEngineering, Nanyang Technological University (NTU), Singapore. She receivedher Ph.D. degree at the National University of Singapore in 2004. Her researchgroup has been actively involved in areas related to energy and environmentalapplications including solar fuel generation and water treatment, usingnanoengineered particulate semiconductor photocatalysts, molecular complexes,and hybrid systems.

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