研究背景

鑒于當前全球能源需求不斷增長和傳統化石燃料儲量減少的背景，對可再生能源的需求變得越來越迫切。在這種情況下，用于制氫的光催化技術為轉換和利用可再生太陽能來應對能源危機提供了一種可行的方法 。然而，考慮到淡水的稀缺性和海水占全球水資源的 97% 的事實，通常使用淡水或蒸餾水的光催化制氫仍然遇到幾個障礙。因此，利用海水進行光催化制氫成為一種關鍵且可持續的選擇。

光熱材料具有較寬的光吸收范圍，使其適用于基于蒸發的海水淡化 。自從Chen等引入太陽能界面蒸發以來，該領域已經進行了大量研究。光熱界面蒸發通過利用太陽能為海水淡化提供了一種可持續且節能的方法。這種方法可以在面部將海水轉化為淡水，而無需像反滲透那樣進行預處理。此外，光熱蒸發系統可以很容易地與現有基礎設施集成，從而成為大規模和分散式海水淡化項目的可行選擇。

基于此，將光催化制氫與光熱海水淡化相結合可以優化太陽光譜的利用，從而實現從海水中連續制氫成為可能（圖 1）。首先，我們提出了一種通過原位交聯的可漂浮和多孔凝膠基光熱材料，它可以有效地將太陽能轉化為熱能并將熱量限制在蒸發表面。其次，光催化劑均勻分布在光熱材料表面，形成層狀結構。光催化材料可以吸收太陽光譜中的短波長，導致電子激發導致水分解。殘余的太陽光譜可以被光熱材料吸收，產生熱量用于海水淡化。第三，海水中的汽化水直接擴散到上層的光催化劑，這增加了接觸面積，將三相氣-液-固光催化反應轉化為兩相氣-固反應，從而避免了光催化劑與海水溶液的直接接觸。這種方法不僅抑制了光催化劑的腐蝕，還促進了水蒸氣的同步分解，與傳統的三相光催化海水分解相比，性能得到了增強。

相關成果以“A photothermal-photocatalytic layered aerogel for harvesting water and hydrogen from seawater“為題發表在國際知名期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。

圖 1.太陽能驅動的光熱海水淡化與光催化制氫相結合的方案說明。

研究結論

光熱-光催化層狀氣凝膠 （TCLA） 用于從海水中同時生產氫氣和淡水。底層的光熱材料有效地產生水蒸氣，而上層的光催化劑隨后分裂水蒸氣產生氫氣。這種設計通過結合光熱和光催化效應促進了太陽能的梯級利用，并成功地將光催化劑與海水溶液分離，從而提高了制氫速率和穩定性。因此，TCLA 在一個太陽光強下實現了 ～17.94 mmol m?2 h?1 的制氫速率（STH 效率 ～0.12 ± 0.02 %）和淡水收集率 ～0.92 kg m?2h?1，整體太陽能轉換效率為 62.3 %。與以前的報道相比，首先構建了光催化-光熱層狀氣凝膠，并在凝膠框架中嵌入了光催化劑，并應用于從海水中穩定地共產氫氣和淡水。這項工作提供了一種簡單的光熱-光催化凝膠原位合成方法，為太陽能驅動系統的未來發展提供了指導，以實現淡水和氫氣的高效共產。

研究數據

圖 2.光熱-光催化層狀氣凝膠 （TCLA） 的合成流程圖。

圖 3.材料表征。

圖 4 .海水淡化性能。

圖 5.從海水中光催化析氫。

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.02.102

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