新开发的用于大规模生产氢气的水凝胶纳米复合材料

由韩国首尔基础科学研究所(IBS)纳米粒子研究中心的HYEON Taeghwan教授领导的研究小组开发了一种新的光催化平台，用于大规模生产氢气。该小组对光催化平台的研究导致了可浮性光催化基质的开发，该基质允许高效的析氢反应，与传统的制氢平台(如薄膜或面板类型)相比具有明显的优势。

由于环境污染和气候变化等全球挑战，替代能源的重要性最近有所增加。在替代能源的几个候选者中，通过光催化收集的氢能因其可持续的绿色能源生产而特别突出。因此，为了提高光催化剂的本征反应效率，已经进行了大量的研究和开发。然而，对其实际应用和商业化至关重要的光催化体系外形尺寸的研究尚未得到积极探索。

通常，目前的系统将催化剂粉末或纳米颗粒固定在不同的表面上，例如颗粒片型、薄膜型和平板型平台，这些表面浸没在水下。它们还面临催化剂浸出、传质不良和逆反应等实际问题。它们还需要额外的设备来从水中分离和收集产生的氢气，这增加了设备的复杂性并增加了成本。

由Hyeon教授领导的IBS纳米粒子研究中心的团队设计了一种新型的光催化平台，该平台漂浮在水面上，以实现高效的氢气生产。这种新平台具有双层结构，由上部光催化层和下部支撑层组成(图1A)。两层均由多孔结构聚合物组成，可为平台提供高表面张力(图1B)。此外，该平台以冷冻气凝胶的形式制造，这是一种内部充满气体的固体物质，表现出低密度。因此，这种嵌入光催化剂的弹性体水凝胶可以漂浮在水面上(图1C)。

该平台在光催化析氢反应中表现出明显的优势：首先，防止了水的光衰减，从而实现了高效的太阳能转换。其次，产物氢气很容易扩散到空气中，避免了反氧化反应，保持了较高的反应收率。第三，由于其孔隙率，水可以很容易地供应到位于弹性体-水凝胶基质内部的催化剂中。最后，催化剂稳定地固定在基质内，以便长期运行，不会出现浸出问题(图2)。

研究人员通过实验证明了与传统的水下平台相比，可漂浮平台具有优越的析氢性能(图3A，B)。此外，该平台的可扩展性对于潜在的工业化至关重要，在自然阳光下也得到了证明。证实，使用面积为80 m的铜单原子和二氧化钛催化剂，可浮性光催化平台可产生约1 mL氢气2(图3C-E)。即使在含有各种微生物和浮物的海水中运行2周后，平台的析氢性能也没有受到影响。

Kim教授说：“拟议的平台甚至可以从溶解家庭垃圾的解决方案中产生氢气，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯瓶。因此，该平台可以成为回收废物的解决方案，为环境友好型社会做出贡献。

值得注意的是，这项研究为高效光催化提供了一个通用平台，不仅限于制氢。可以替换催化组分用于各种所需用途，而不会改变整个平台的可漂浮气凝胶材料特性。这保证了该平台对其他光催化反应的广泛适用性，例如析氧反应，过氧化氢生产和各种有机化合物的生成。

“这项研究在光催化领域取得了巨大进展，并以世界一流的性能展示了海上绿色制氢的潜力。我们平台在光催化领域独特的材料特性、高性能和广泛的适用性无疑将开启替代能源的新篇章。

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