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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

通过多相光催化将太阳能储存在化学键中是可持续能源转换的理想选择。收集太阳能对于有效生成可再生能源、减少碳排放和修复水污染的多相光催化至关重要。在过去的几十年里，通过各种方法，包括形态控制、元素掺杂、异质结的构建和缺陷工程，人们做出了显著的努力来提高光催化剂的本征活性。

然而，光催化平台的发展仍以下问题：

1、光催化平台的开发及高效太阳能制H₂尚未得到很好的探索

尽管最近在设计高活性光催化剂方面取得了进展，但光催化平台的开发及其在高效太阳能氢生产尚未得到很好的探索。

2、光催化系统的设计对光催化放大至关重要

为了有效地放大光催化，光催化系统的设计十分重要。然而，目前开发的系统存在光电极和强制对流要求高、产品分离过程中可能发生的逆反应、光催化剂的连续浸出以及与紧密堆积的光催化剂之间的传质不良等问题。

3、水凝胶可提高光催化效率但催化性能差、稳定性差

嵌入水凝胶中的光催化剂有可能提高光催化效率，但传统的水凝胶-光催化剂纳米复合材料通常浸没在水中，催化性能不佳，且缺乏长期稳定性。

有鉴于此，韩国首尔基础科学研究所Taeghwan Hyeon等人通过设计一个由多孔弹性体-水凝胶纳米复合材料构成的可漂浮的光催化平台来应对上述挑战。空气-水界面的纳米复合材料具有高效的光传输、轻松的供水和瞬时气体分离的特点。因此，即使没有强制对流，使用 Pt/TiO₂低温气凝胶也可以实现163mmolh^–1m^–2的高析氢率。当在1m²的面积内制造并结合经济上可行的单原子Cu/TiO₂光催化剂时，纳米复合材料在自然阳光下每天可产生79.2ml的氢气。此外，海水和高浑浊水的长期稳定产氢以及聚对苯二甲酸乙二醇酯的光转化证明了纳米复合材料作为商业上可行的光催化系统的潜力。

技术方案：

1、概述了可漂浮光催化纳米复合材料

作者展示并详细介绍流量纳米复合材料的双层结构，并基于之前的研究基础，展示了纳米复合材料的制备过程。

2、设计和表征了纳米复合材料的材料

作者通过闪速冷冻技术降低了催化剂的密度，实现了纳米复合材料的可漂浮行，并证明了复合二氧化硅气凝胶的长期漂浮性。

3、探究了纳米复合材料光催化制H₂性能

作者对比了可漂浮和沉没的纳米复合材料光催化H₂性能，结果表明可漂浮的纳米复合材料的H₂释放速率增加了两倍，且弹性体-水凝胶纳米复合材料具有长期稳定性。

4、探索了纳米复合材料的实际应用及放大

作者证实了纳米复合材料在海水、高度浑浊的水条件下、塑料光重整的高性能以及长期稳定性，并将可漂浮光催化纳米复合材料的尺寸分两步放大证明了H₂的可扩展生产。

技术优势：

1、展示了具有高效的光传输、气体分离和减少逆反应的可漂浮纳米材料

为了最大限度地提高光催化活性，作者展示了一种使用多孔弹性体-水凝胶纳米复合材料的可漂浮光催化平台。可漂浮的纳米复合材料位于空气-水界面，具有高效的光传输、容易的气体分离和减少的H₂逆氧化。

2、实现了光催化剂的长期稳定性

将光催化剂固定在多孔弹性体-水凝胶混合体中，并对材料成分进行额外工程设计，可以提供出色的反应物供应，实现高漂浮性，防止催化剂浸出，并提供长期的材料稳定性。

3、实现了大规模太阳能制氢

作者展示了大规模太阳能制氢，在1m²的面积内使用单原子Cu/TiO₂光催化剂时，纳米复合材料在自然阳光下每天可产生79.2ml的氢气。

技术细节

可漂浮光催化纳米复合材料概述

纳米复合材料具有双层结构，上层是由亲水性聚氨酯(HPU)和聚丙二醇(PPG)聚合物以及光催化剂组成的光催化层，下层是支撑层，由HPU和PPG的相同主链聚合物组成，使纳米复合材料保持漂浮状态。可漂浮的纳米复合材料将上层光催化层暴露在水面之上，既可以实现高效的光传输，又可以最大限度地减少水引起的光衰减），并且可以轻松分离产生的H₂气体。纳米复合材料的高孔隙率和亲水性在为光催化剂提供容易获取水方面也起着至关重要的作用。作者基于之前的研究基础，展示了纳米复合材料的制备过程。

图  可漂浮光催化纳米复合材料概述

纳米复合材料的材料设计和表征

为了实现高可浮性，通过最小化光催化剂的密度来降低纳米复合材料的总密度。具体来说，通过闪速冷冻技术将Pt/TiO₂的密度降低了约 50%。Pt/TiO₂低温气凝胶和Cu-SA/TiO₂ NPs的电子显微镜和元素分析验证了它们的形态和组成，骨架聚合物的多孔结构有助于降低纳米复合材料的密度。此外，利用具有亲水体和疏水表面的Janus结构，通过增强表面张力来最大化漂浮性，同时保持轻松的供水。催化层的可浮性低于支撑层，但通过添加疏水性二氧化硅气凝胶可以改善其可浮性，作者证明了复合二氧化硅气凝胶的长期漂浮性。

图  纳米复合材料的材料设计和表征

纳米复合材料的H₂生产

对于可漂浮和沉没的纳米复合材料，在类似于空气质量(AM) 1.5G 条件的光强度下测量光催化H₂的产生，其中嵌入Pt/TiO₂低温气凝胶作为光催化剂。与沉没的纳米复合材料相比，可漂浮的纳米复合材料的H₂释放速率增加了两倍（163 mmol h^–1 m^–2）。随着催化剂含量的增加，H₂的产生得到增强，通过考虑催化活性和制造成本来选择最佳的Pt浓度。此外，H₂的释放速率取决于模拟阳光的强度，证实了水对光的衰减对HER性能的影响。通过考虑光传输、气体分离和H₂逆氧化，对可漂浮和沉没的纳米复合材料进行了数值模拟，证实了可漂浮纳米复合材料能够实现更高效的HER。此外，作者还证明了弹性体-水凝胶纳米复合材料的长期稳定性。

图  纳米复合材料的H₂生产

纳米复合材料的实际应用及放大

光催化剂的稳定固定和纳米复合材料的高耐久性导致即使在海水中也具有高HER性能，其在自然海水环境中的长期稳定性。为了模拟真实环境中经常出现的高度浑浊的水条件，将两种商业染料溶解在反应溶液中。结果表明，纳米复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计。作者还探究了塑料的光重整，纳米复合材料到 H₂证明由于其高材料即使在强碱性溶液中也具有耐久性。将可漂浮光催化纳米复合材料的尺寸分两步放大证明了H₂的可扩展生产。这些大型纳米复合材料中，Cu-SA/TiO₂ NPs 代替 Pt/TiO₂ 低温气凝胶用作光催化剂，证明了纳米复合材料的经济可行性。此外，使用面积为100 m² 的可漂浮纳米复合材料进行制H的计算模拟为工业规模生产H₂提供了可能性。

图  纳米复合材料的实际应用

图  纳米复合材料的放大

总之，作者展示了一种由弹性体-水凝胶纳米复合材料构成的可漂浮光催化平台，展示了其在太阳能制氢方面优于传统系统的优势。即使没有水的强制对流，使用Pt/TiO₂低温气凝胶，可漂浮的光催化纳米复合材料也表现出163 mmolh^–1m^–2 的高析氢率。通过使用Cu-SA/TiO₂光催化剂进行1m²规模的H₂生产和 100 m²规模的纳米复合材料的模拟研究以及从海水中产生氢气和光重整，实验探索了纳米复合材料在一般光催化应用中的潜力对环境有问题的塑料废物。这些在各种现实环境条件下的可扩展性、材料耐久性和光催化活性的证明了可漂浮光催化纳米复合材料的潜力。

参考文献：

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