通过水分解实现高效和可扩展太阳能氢生产的最新进展
郑易豪 , 明马  怀雨少儿

摘要：通过水分解产生的太阳能氢是获得绿色氢能的最重要和最有希望的途径。虽然这一技术在过去20年里发展迅速,但距离真正的商业化还有很长的路要走。特别是,太阳能氢生产的效率和可伸缩性已引起基础研究领域的广泛关注。目前,研究最多的三种太阳能氢生产途径包括光催化(PC)、光电化学(佩奇)和光电化学(PV-EC)水分解。本文简要介绍了开发绿色氢能源的动机,并总结了在太阳能氢生产效率和可伸缩性方面有影响的突破,特别是对实际应用有指导意义的突破。最后,我们分析了从太阳能水分裂到氢生产工业化所面临的挑战,并为加速从基础研究到实际应用的过渡提供了见解。总之,本综述可为解决太阳能氢能生产效率提高和规模扩大问题提供有意义的参考,从而促进可再生氢能产业的创新和发展。从而促进可再生氢能产业的创新和发展.从而促进可再生氢能产业的创新和发展.

图形摘要

1 导言
燃烧化石燃料所产生的碳排放是造成全球变暖的主要原因,近年来其后果开始显现[ 1 , 2 , 3 ]。因此,迫切需要发展低碳、高效、可持续和清洁的能源,这有利于缓解气候变化和实现碳中和[ 4 ]。氢能源是一种很有前途的清洁能源,因为它在消费过程中会产生零碳排放。氢燃料电池技术甚至被认为是未来解决能源危机的最终办法之一[ 5 ]。目前的工业氢生产主要来自化石燃料和工业副产品。特别是,作为原材料,煤炭和天然气占氢生产的80%,同时在生产过程中产生大量碳排放[ 6 ]。为了实现零碳排放的氢生产,人们对太阳能水分解生产绿色氢的方法寄予了很大的期望。此外,将太阳能转换为氢、甲醇或氨等化学能。,可以解决间歇性太阳能的存储问题,支持电动车、电网峰值刮除等更广泛的应用。[ 7 ].

在材料、化学、物理、能源、电力等多个领域,对水分裂产生的太阳能氢的研究引起了国际社会的广泛关注。其中,可分为光催化水分解、光电化学水分解和光电电化学水分解三种典型技术。  1 ) [ 8 ]。前两种技术仍处于快速发展的研究阶段。第三种技术已用于工业化试点项目。与这些技术有关的,有各类检讨文章介绍或讨论一些特定的课题,例如微粒光催化剂[ 9 ], photoanode/photocathode [ 10 , 11 ],特定类型的氢生产[ 12 , 13 及具体原则和策略[ 14 , 15 , 16 ),但缺乏可供实际应用的高效和可伸缩的实验室案例的清单和分析。当然,我们的讨论范围局限于基础研究领域。

Fig. 1
图1
研究最多的三种太阳能氢生产路线。示意图( A ) photocatalytic (PC), ( b ) photoelectrochemical (PEC), and ( C )光电电化学(PV-EC)

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因此,在本文中,我们将从高效率和可伸缩性的角度,重点研究一些对上述三种技术的实际应用具有指导意义的具有代表性的作品。特别是对于一些有影响力的作品,本文详细介绍了研究动机和基础,以突出工作的连续性,这将给我们如何在该领域进行深入研究提供一些启示。最后,提出了未来太阳能氢生产工业化的挑战和前景.

2 太阳能氢生产的最新进展
2.1 PC水分裂
分散在水中的光催化剂特别适合于低成本和大规模的氢生产工艺[ 17 ]。过去几十年来,人们报道了各种有效的光催化剂用于PC水的分解,包括氧化物、(氧)硫化物、(氧)硝化物、卤化物、碳酸盐和黄铜矿等。[ 18 ]。为了提高这些材料的催化性能,已经开发了许多战略,如带隙工程、晶体面工程和助剂加载。在提高太阳能催化效率的努力下,许多世界级的学者正在努力推动大型PC氢生产的工业化进程。本节主要介绍他们近年来的代表作.

2.1.1 高效光催化剂的设计
多曼集团40多年来一直致力于个人电脑氢的生产,为推动其工业化作出了巨大贡献。尤其是近年来,多梅等人。极大地提高了srtio的效率 3 -以光催化剂为基础,加速了大型PC氢生产的发展。srtio 3 是一种良好的光催化剂,带隙能量为3.2EV,量子效率不断提高[ 19 ]。2016年,多梅等人。发现少量的铝掺杂到srtio中 3 从氧化铝熔炉中分离出的氧化铝是提高SrtiO的PC水分解活性的主要原因。 3 ,从而在360纳米达到30%的明显量子效率[ 20 ]。为了获得高的太阳能-氢转换效率,必须开发具有高量子效率的整体分解水的窄间隙光催化剂。众所周知,在高效光催化剂的发展中,不同晶体面的空间电荷分离策略引起了广泛的关注。这种现象也可以在高对称性的srtio上发现。 3 表现为各向异性面[ 21 ]。在此基础上,多米等人。报告了生殖健康/铬的选择性光沉积 2 O 3 不同晶体形态的催化剂 3 :铝(掺杂铝钛酸钡),它能抑制电荷重组,并能通过各向异性电荷运输有效地生成分离的氢和氧(图1)。  2 a)同时,采用了多种策略相结合的方法,如提高结晶度的通量处理、减少晶格缺陷的掺杂策略以及支持CRO。 X 壳在RH催化剂抑制氧还原副反应。在350-360纳米紫外光下,最终实现了外部量子效率96%的整体水分裂(图1)。  2 b) [ 22]。这一鼓舞人心的工作表明,通过精确的材料设计,可实现一种完美的光催化剂,其量子效率接近100%,为制备可见光驱动光催化剂提供了直接的参考。

Fig. 2
图2
高效光催化剂。 A 氢的演化反应和氧的进化反应(OR)在SRTO的不同方面得到支持。 3 *铝微粒。 b 光反射反射光谱 3 :用于RH/CR上的水分裂的铝(黑线)和波长相关的外部量子效率(EQE) 2 O 3 /工作人员代表团 3 :阿尔(红点)。经许可转载[ 22 ]. Copyright 2020, Springer Nature. C 光生成载体转移和H示意图 2 和O 2 进化过程。 D 吸收光谱,亚基,和iqe 赫伊 的建议 2 S 3 光催化剂。经许可转载[ 23 ]。版权2023,斯普林格自然

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最近,其他团体报告在提高效率方面取得了一些令人印象深刻的突破。刘等人。提出了一种稳定高度分散和高载(1.5wt%)铜单原子的可重复和经济的封装前技术。 2 )的表面 2 [ 24 ]。在光催化过程中,铜的可逆变化 2+ 和铜 + 极大地便利了光电产生的电子和孔的分离和转移,使Cusa-tio 2 使光催化活性高于传统的铂/TiO 2 .结果是 2 显示出高的氢演化速率为101.7毫摩尔克 −1 H −1 在365纳米时,明显的量子效率为56%,这超过了以前报告的所有TiO。 2 -基于光催化剂。值得一提的是,样品在储存380天后仍具有相当于新制备样品的良好性能。这项工作提供了高效、低成本、高稳定性和易于准备的TiO 2 -用于太阳能氢生产的单原子催化剂。杨等人。研究发现,在共价有机框架纳米表中引入合适的供者受体结构,可延长充能载体的寿命[ 25 ]。通过将这种有机纳米片与铂辅助催化剂相结合,在450纳米时达到了打破纪录的82.6%的明显量子效率,超过了以前报告的光催化半导体。本工作为提高聚合物半导体的光催化活性提供了一种有效的解决方案。李等人。a 2 S 3 异结光催化剂,在此催化剂中,cdte量子点锚定在v-in表面 2 S 3 通过静电自组装法和铂和COO X 双催化剂是在 2 -O 2 -演变中的地点(图1)  2 c) [ 23 ]。在强界面内置电场和级联能带结构的协同作用下,CDT-4.2/V-IN的电荷分离动力学和多激子生成效应 2 S 3 -3混合动力被有效地推广和利用,从而使350纳米的内部量子效率达到114%,明显的量子产量达到73.25%(图1)。  2 (d)然而,在模拟太阳能光下,这项工作的效率仅为1.31%,与大多数报道的PC水分裂效率相同。江等人。用一步热液法构造还原高指数面(002)及氧化低指数面(110)共曝光光盘[ 26 ]。他们发现,优化高指数和低指数的比例可以调整 D -带中心,随后影响还原和氧化部位的中间体(*-OH和*-O)的化学吸附和转换。在此基础上,实现了2.20%的改进.米等人最近报道了一个新的创纪录电脑水分裂的效率[ 27 通过分子束外延生长技术,在商用硅片上使用高集成的英安/甘纳米线阵列。英根/甘/纳诺维雷是由 2 O 3 /CO 3 O 4 原位光沉积的催化剂。结果表明,高强度高浓度太阳能产生的红外热效应不仅能促进正水分裂反应,而且能抑制PC整体水分裂过程中的反氢氧复合反应(图)。  3 a)这一策略使制备的光催化剂能够在密集模拟太阳能下展示高达9.2%的效率(图1)。  3 (d),远远高于先前报告的无辅助个人电脑分水系统,接近工业应用的要求(效率为10%)[ 28 ]).

Fig. 3
图3
超高效率光催化整体水分裂系统。 A 室外光催化系统的照片。 b 光催化区系统的协同效应示意图。 C 光催化剂效率随温度的变化。 D 光催化剂在自加热光催化光催化系统中的稳定性试验。经许可转载[ 27 ]。版权2023,斯普林格自然

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2.1.2 可扩展氢生产的氢农场项目
李的团队多年来一直致力于"绿色氢能源"和"液态阳光甲醇"的基础研究和工业化,这是帮助实现碳中和目标的主要途径。在PC制氢领域,李等人.探索了"氢农场项目"(HFP)的可扩展太阳能氢生产方法。人们普遍认为,这项成就是将科学研究转化为实际应用的一个明显例子。基于他们在PC水分裂领域20多年的研究,李等人。揭示并证明电荷分离的意义.李等人。连续研究了Bivo晶体面之间光产生电子和孔的空间分离 4 [ 29 ],并在不同的晶体层面上,合理组装双催化剂,以制造有效的光催化剂[ 30 ]。随后,他们研究了分离高各向异性光产生电荷的直接成像在一个单比沃的不同方面 4 粒子,揭示内置电场对电荷转移的影响[ 31 ]。这些工作为根据电荷分离原理优化光催化剂提供了机会。

Fig. 4
图4
氢农场项目。 A , b 可扩展太阳能氢生产的氢工厂项目示意图。 C 比沃表面反应过程 4 在阿菲 3+ 解决方案。 D 大规模太阳能储能光催化剂板的照片(1.0米x1.0米)。经许可转载[ 32 ]. Copyright 2020, Wiley

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2020年,受自然光合作用的启发,从农场大规模种植作物的实践中学习,李等人。带头提出并验证基于微粒光催化剂的太阳能氢生产的HFP策略(图)。  4 A和B)[ 32 ]。利用Z-化学结构将水氧化反应与质子还原反应进行空间分离,可以避免氢和氧的反向反应,从而进一步实现水氧化反应的安全生产。基于比沃 4 对HFP的晶体,太阳能转换性能是通过精确调节Bivo的不同方面(氧化和还原反应)的接触比来优化的。 4 ,含铁 3+ /非政府组织 2+ 用于能量储存的航天飞机离子对。  4 c)在这一HFP系统中,PC水氧化量子效率高达71%,而STS转换效率超过1.8%,这是当时国际报道的基于微粒光催化剂的最高值。作为大型HFP的演示,1m的光催化剂面板 2 成功地实现了太阳能存储(图1)。  4 (d)这项工作突破了大型PC氢生产的技术瓶颈,为安全高效的工业应用提供了有效的途径。此外,李等人。进一步提高颗粒物的PC水氧化能力 4 双催化剂的原位选择性光沉积光催化剂 X )在稍后的报告[ 33 ].

2.1.3 PC生产氢的大规模试验
在大规模的氢生产中,多梅等人。设计了一个具有1米轻接收面积的PC水分裂面板 2 [ 34 ]。使用微粒 X /特别代表办公室 3 :铝作为光催化剂,平板反应器在自然阳光下的效率达到了0.4%。采用特殊的设计,该面板反应器可在扩大其尺寸时保持光催化剂的固有活性,也可维持10%的气体演化率。因此,将来开发的高效光催化剂可以直接安装在这种反应堆中,而不必担心质量转移限制。这项工作标志着从实验室到实际应用太阳能氢生产通过PC水分裂。随后,多梅恩等人。扩大了1米 2 面板反应堆系统至100米 2 最后一次工作中的面板反应堆阵列 3 ::铝光催化剂(图1)  5 ) [ 35 ]。这一"重大"突破被认为直接提高了在这一领域使用"大规模"一词的门槛。此外,该系统非常安全和持久,能够稳定运行数月。然而,该系统的最大效率为0.76%,仍远低于PV辅助和PEC分水系统。总体而言,本研究论证了大规模PC水分裂用于氢生产的可行性,为工业应用带来了"巨大"的希望。

Fig. 5
图5
大规模氢生产。 A 一个面板反应器单元(25厘米x25厘米)的照片,及其从侧面看的结构. b 太阳能100米氢生产系统的全景图 2 . C 面板反应器中太阳辐射强度(红色)和气体演化速率(灰色)的变化。 D 3米的照片 2 由48个面板反应堆单元组成的模块。经许可转载[ 35 ]。《2021年版权,斯普林格自然》

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在最近的一份报告中,塔干贝和多门等人。指出大规模户外试验需要考虑液态水的体积变化对光催化剂板的影响,而光催化剂板是由昼夜温差引起的,以及流动的液态水引起的光催化剂的洗脱、溶解和去除[ 36 ]。因此,他们采用了水蒸气加料的温和方法来代替液体加料,以减少光催化剂板的外部腐蚀。为了捕捉足够的水蒸气并形成液态水反应环境,TO X 或道 X 将小于3纳米的纳米分子均匀涂布于所载的表面 3::铝光催化剂。令人兴奋的是,这一工作达到了54%-4%的表观量子产率,与液态水反应相当.此外,在高压(0.3兆帕)和海水作为水蒸气源的长期操作(100小时以上)也被证明是可行的。这一汽化策略为设计耐用、无腐蚀、大规模、高压的PC反应堆提供了新思路,并在一定程度上进一步消除了PC生产氢的工业应用障碍。

2.1.4 PC制氢装置制造
在器件制造方面,可打印太阳能分水装置具有成本低、可加工性好、易于伸缩的优点。多米等人。报道了一种基于金基的Z型混合光催化剂的研究[ 37 ]。除了研究具体材料外,他们还展示了印刷版的材料。用丝网印刷法,可以用含有氢的进化光催化剂、氧的演变光催化剂和金纳米颗粒的印刷油墨制备光催化剂。  6 a)然而,由于大量的金纳米颗粒的存在,导致了反反应,影响了催化剂的光吸收,所以印刷半导体片的效率仅为0.1%。为解决这个问题,多梅恩等人。报道了一种可扩展的高效PC半导体片,采用透明氧化锡锡纳米粒子作为电子导电介质(图),采用丝网印刷制作。  6 D和E)[ 38 ),可以避免反反应,消除由金纳米颗粒引起的光阻塞,大大提高了效率(0.4%)。这种可打印、成本效益高的装置大大增加了PC水分解氢生产的工业可能性。

Fig. 6
图6
可印刷的光催化水分解板。 A 用颗粒转移法制备的光催化剂片材示意图。 b 用于印刷印刷光催化剂片的墨水的照片。 C 打印的10cmx10cm光催化剂板的照片.经许可转载[ 37 ]. Copyright 2016, Springer Nature. D 用丝网印刷制备光催化剂板的示意图。 e 打印的30cmx30cm光催化剂片的照片.经许可转载[ 38 ]. Copyright 2018, Elsevier B.V.

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希永等人。设计了一种由多孔弹性-水凝胶纳米复合材料组成的可漂浮PC平台,可实现海水中长期稳定和大规模制氢。  7 a) [ 39 ]。在可漂浮平台上,高进化率为163mmol小时 −1 M −2 对氢来说,可以利用太氧化氢/太氧化氢实现 2 冷冻凝胶。单原子铜/钛 2 作为光催化剂,1米 2 在这种纳米复合材料中,每天可以在自然阳光下产生79.2毫升的氢。  7 b和c)。大规模生产100米氢 2 也通过计算进行了模拟(图1)。  7(d),这为工业生产氢提供了一个可行的例子。

Fig. 7
图7
可漂浮光催化纳米复合材料。 A 纳米复合材料在实际环境中的实际应用示意图。 b 1米照片 2 -规模排列的纳米复合材料。 C 太阳辐射强度(红色)的变化和H的生成率 2 从1米开始 2 -尺寸纳米复合材料(蓝色)。 D 100米计划图 2 -规模模拟领域。经许可转载[ 39 ]。版权2023,斯普林格自然

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2.2 石化水分解
PEC水分裂细胞一般分为两类,包括单一的光电细胞和无辅助的PPC细胞。前者通常需要外部偏见,而后者则不需要。此外,非辅助的PEC-PV电池包括光阴极-光电阴极串联电池和PEC-PV串联电池。无辅助的多氯联苯细胞通常具有很高的效率[ 40 但设备的配置更复杂。此外,PEC电池的稳定性和成本仍无法满足目前阶段工业化的要求。

本段主要介绍了几种具有3%以上高效率的光电阴极串联电池。在PEC串联细胞中,金属氧化物基的光电极已经被广泛研究。比沃 4 已被证明是最有前途的光阳极之一,而金属氧化物(例如。、 2 (O)光电半导体材料通常用作光电阴极[ 40 ]。格莱茨尔和罗等人。开发了一种铜 2 组织/大会 2 O 3 -埋有P-N结的光电阴极,具有大的可见光吸收范围和接近80%的外部量子产量[ 41 ]。在国家情报局的协助下 2 保护层和保护层 X 她的副催化剂,上面的光电阴极是与Bivo串联的 4 光电阳极形成一个串联的细胞(图)。  8 ,在弱碱电解质中达到3%的效率,在100小时以上的稳定操作中,PH值为9.0(图)。  8 b)公等人。开发了一种 4 具有丰富表面氧空缺的光极阳极,可方便在Bivo进行电荷分离 4 电极/电解质接口。带有FOOH/NiOOOER催化剂的 4 光极阳极与PT沉积的TiO连接 2 /硅光电阴极,以建造多氯联苯串联电池,在10小时的稳定工作中,实现3.5%的效率[ 42 ]。多米等人。发达的库因 1 − x 通用航空公司 X 元素元素 2 具有特定成分的光电阴极(X=0.5),其性能显著[ 43 ]。库恩河 0.5 通用航空公司 0.5 元素元素 2 与CD和铂进行了改进,然后与Nifeo进行了串联连接 X -比/比沃 4 光致阳极形成PEC串联电池,达到3.7%的效率.受自然光合作用Z机制的启发,李等人。通过合理设计具有互补光吸收和高效电荷转移介质的光极和光电阴极,报道了一种极高效的PCE串联电池。  8 C和D)[ 44 ]。对前光吸收器来说,光阳极是由Bivo形成的 4 使用 4 O 4 担任副催化剂和非政府组织/非政府组织 X 作为指控转移调解人。对于背光吸收器,利用有机聚合物半导体PbdB-T:IC:PC制造了光电阴极。 71 生物燃料公司(PIP),以泰国为她的副催化剂 X /TiO X 作为指控转移调解人。在工业试验中,尽管该电池的性能接近5%的要求,但其大规模应用的可行性还有待进一步验证。

Fig. 8
图8
把水弄裂了。 A 示意图及( b ()全氧化电晶体串联电池的稳定性试验 4 光电阳极和铜 2 哦,光电阴极。经许可转载[ 41 ]. Copyright 2018, Springer Nature. C 与有机污染物的多氯联苯串联电池示意图 4 O 4 /pGO/BiVO 4 /SnO X photoanode (front) and Pt/TiO X /PIP/Cuo X 光电阴极(后面)及( D )双电极配置的电流电位曲线。经许可转载[ 44 ]。版权2021,美国化学学会。 e PEC-PV串联电池示意图。经许可转载[ 45 ]. Copyright 2015, Springer Nature. f 人工叶(单片PEC-PV串联细胞)的照片。经许可转载[ 46 ]。版权2016,斯普林格自然

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光电材料,如晶硅[ 46 ], dye/TiO 2 [ 47 ]、有机半导体[ 48 ], III-V semiconductors [ 49 , 50 , 51 ], Cu 2 Znsns 4 [ 52 , 53 ],及白铁矿[ 54 , 55 , 56 通常用作吸收光线层,以最大限度地利用阳光。PEC-PV串联电池的STS效率很容易超过光阳极-光阴极串联电池,甚至达到10%以上[ 50 , 51 , 56 ]。光电材料部分地/完全地集成到了PEC-PV串联电池上。对于前者,光电材料通常被集成或与光电阳极串联(图)。  8 e) [ 45 它可以增加光电压,以满足OER的大过电位。在这种配置中,光产生的电子通过外部导线转移到反电极上。对于后者,光电吸收层与其他功能层结合成一个单片光电电极。这种无辅助无线设备可以直接浸入电解质中,以推动太阳能水的分解,因此它被生动地称为"人造叶"(图)。  8 f) [ 46 在这种情况下,光产生的电子和孔会分别转移到催化剂的两面表面。值得一提的是,最新报告的人造叶的效率已超过20%[ 57 ]。为了实现有效的电荷分离,PEC-PV串联电池往往需要多层设计,对制造工艺的要求更高,其耐久性无法保证。对大面积PEC-PV装置而言,目前的研究较少,而面积的扩大将导致效率的大幅下降[ 52 , 53 ]。此外,贵金属铂在以前的报告中被普遍用作反电极,并考虑成本问题。

2.3 电热水分裂
PV-EC分水系统由光电装置和水电解槽耦合而成,这是两个与PC电池不同的连接独立装置,与PEC电池集成了PV材料。总体效率取决于光电和电解槽的截面。现时,以三五半导体为基础的六接点太阳能电池的光电效率最高,达39.2%(低于一次太阳照射)[ 58 ]。最先进的电解槽转换效率由高性能毛细血管电解槽达到98%[ 59 ]。因此,理论上对某事物效率的评价可以达到38%左右。哈里斯和贾拉米略等人。在48小时的连续操作中,显示了一个平均效率为30%的PC-EC系统(图)。  9 (甲及乙),这仍然是迄今为止由水分解产生的太阳能氢的最高效率[ 60]。所开发的系统将两种聚合物电解质膜电解槽与高效率的INGAP/CAAS/GINNASB三联太阳能电池进行了耦合,并将模拟太阳能浓度调整到42个太阳能,以优化系统的整体效率。然而,由于三-V半导体和贵金属催化剂价格高昂,这类PV-EC系统在现阶段成本效益很低。因此,开发低成本替代品变得特别重要。格莱茨尔和罗等人。通过使用过闪石串联电池驱动水分裂电解槽,实现了12.3%的效率,在该电解槽中,两个纳米分层双氢氧化物(LDH)/镍泡沫电极作为高活性的双功能催化剂电极,生成氢和氧(图)。  9 C和D)[ 61 ]。地球丰富的双功能催化剂在PV-EC系统中的使用简化了系统配置,降低了氢的生产成本。但是,不能忽视过电石太阳能电池的不稳定性和系统的耐久性。赵和他的同事们报告说,一个低成本的PV-EC系统的效率达到了20%,该系统由一个过硅晶/硅串联电池和一个镍基催化水电解槽组成。  9 e和f)[ 62 ]。在10mM时超电位极低的6mm的尼莫/镍泡沫催化剂 −2 与镍/镍泡沫催化剂相结合,实现碱性水分解,氢的水平化成本估计为4.1公斤 −1 .简而言之,到目前为止,许多已报告的PV-EC分水系统很容易达到15%以上的效率[ 63 , 64 , 65 , 66 , 67 , 68 ),这也表明,在现阶段,PV-EC是最具商业前景的途径。

Fig. 9
图9
电热水分裂。 A 示意图及( b 由一个三联太阳能电池和两个连在一起的PEM电解槽组成的PEM电化器。经许可转载[ 60 ]. Copyright 2016, Springer Nature. C 用于水分裂的PV-EC装置的示意能量图,包括过闪石串联电池和镍LDH/镍泡沫电极,和( D ) J-V 过钙矿串联电池和镍LDH/镍泡沫电极的曲线。经许可转载[ 61 ]。版权2014年,美国科学促进协会。 e PV-EC器件的示意图,该器件由过晶石/硅串联电池和镍基电极组成。 f 覆盖 J-V 过氧化硅/硅串联电池曲线和尼莫/尼夫电极的LSV曲线。经许可转载[ 62 ]. Copyright 2021, Wiley

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3 挑战和前景
作为一种简单的制氢方法,PC水分解具有成本低、膨胀方便的优点,是最理想的太阳能制氢方法。然而,由于效率低、氢氧分离困难、稳定性不足等问题限制了实际应用。许多研究人员试图解决这些问题,并取得了许多良好的成果。例如,教授。通过微粒光催化剂的合理设计,CALI在氢氧分离方面取得了显著的成就。教授多门卡祖纳里在设计用于PC水分解的大型板式反应堆方面做了许多令人印象深刻的尝试。教授泽田米提出了有效的战略,以显著提高PC的效率.如果他们的工作经验完全融合,可全面提高PC生产氢的性能指标.然而,在效率方面,仍然迫切需要开发更有效的窄间隙光催化剂。随着这一领域的发展,PC生产氢的优势将越来越突出。也许安全、可靠、高效、低成本、大规模的PC氢生产将逐步取代PEC和PV-EC氢生产。今后,大规模PC氢生产将逐步取代PEC和PV-EC氢生产。今后,大规模PC氢生产将逐步取代PEC和PV-EC氢生产。

pv-ec水分裂是太阳能氢生产最成熟的途径,具有高效、寿命长、可伸缩性好等特点。由于光电装置和水电解槽都已商业化,PV-EC技术已进入工业应用阶段。例如,李等人领导的"液体阳光"示范项目。已在中国西北地区投入运作[ 69 ]。这个项目的核心步骤是通过光电水分解生产氢。该项目的成功运行也表明,通过PV-EC路线大规模生产绿色氢是可行的。此外,谢等人领导的小组。已实现稳定和大规模的直接海水电解氢生产[ 70]。这被认为与海上光电平台相结合,有希望实现大规模生产绿色氢。众所周知,提高效率是降低氢成本的最基本的策略。随着光电和电解装置效率的提高,pv-ec氢生产项目的投入比将大大降低,更容易获得负担得起的绿色氢能源。

PEC的效率介于PC机和PV-EC机之间,成本高,复杂性高,耐久性差仍然是巨大的挑战。未来的改进方向主要包括材料设计和设备优化.具有小带隙和长电荷载波扩散长度的高效和稳定的光电极需要用丰富的地球元素设计。合理引入高效的助剂对促进低电位超电位的妇产科和妇产科都具有重要意义。对于以半导体为吸收层的串联电池,有必要优化半导体、催化剂和层间的布局,以降低内部电阻,加速电荷分离和转移,并降低成本。最后,在多氯联苯氢生产过程中同时使用氢生产高附加值化学品,可增加产出值,提高技术的经济可行性[ 71 ].

工业化的太阳能氢生产对耐久性的需求很高。然而,目前报告的太阳能氢生产稳定性试验通常从几个小时到100小时不等,远远低于商业装置的预期使用寿命。事实上,只有少数报告的稳定性测试达到了千小时的水平[ 35 , 72 , 73 ]。因此,太阳能制氢系统的加速稳定性试验可参照太阳能电池领域的加速老化试验系统进行开发[ 74]。例如,以模拟辐照光或外部偏斜为加速度条件,通过增加光强度或外部偏斜加速催化剂的降解,然后通过直接计算加速度来预测系统的使用寿命。在反应区方面,过去报告的氢生产板在尺寸扩大后,效率通常会显著下降。因此,有必要进一步优化扩大生产过程,以减少效率损失。此外,还需要进一步核实大型太阳能氢生产系统的安全性能,这是扩大生产过程的一个关键步骤,也是商业化的一个先决条件。最后,我们希望加快成熟太阳能氢生产技术的试点测试进程,建立完整的绿色氢能源工业体系和标准,包括制备、储存和商业利用,提高氢能源在整个能源系统中的比重。