自工业革命以来，人类已经向地球大气排放了巨量的温室气体二氧化碳，环境问题日益突出（如气候变暖、冰川消融、海平面上升等），严重制约了人类的生存和发展。因此，科学家们致力于发展新型碳中和能源，比如氢能，它被普遍视为一种清洁、高效、安全、可持续的绿色能源。迄今为止，制氢的方法主要有以下几种：化石燃料制氢、电解水制氢、工业副产制氢以及新型制氢方法（生物质制氢、太阳能分解水制氢、热化学裂解水制氢等），其中太阳能分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能，因此被视为解决全球性能源与环境问题的理想方式之一。目前最高效的太阳能分解水制氢方案是将太阳能电池与水电解系统相结合，太阳能至氢（solar-to-hydrogen, STH）能量转换效率已有高达30%的 道（ Nat. Commun ., 2016, 7 , 13237）。相比之下，光催化分解水制氢虽然能量转换效率低不少（仅约1%），但整个系统设计要简单得多，成本更低且更易于规模化，工业化前景更好。不过，光催化分解水的产物是湿润的氢氧混合气体，安全性以及氢气回收仍是规模化应用的巨大挑战。
近日，日本 东京大学的 Kazunari Domen教授课题组基于改良的铝掺杂钛酸锶（SrTi O3 :Al）光催化剂，将先前发展的1 m2 面板反应器系统拓展为 100 m2 的太阳光催化分解水制氢系统，安全且大规模地实现了光催化水分解、气体收集及分离 。该系统不仅能稳定运行数月，而且在商用聚酰亚胺膜的作用下能从湿润的气体混合物中回收氢气，最大STH效率为0.76%。值得一提的是，该系统对安全性和耐用性进行了优化，甚至在有意点燃回收氢气的情况下仍可保持完好无损。相关成果于近期发表在 Nature 上。
由于膜分离装置和隔膜泵处理气态产物的能力超过了气体析出的速率，因此该气体处理装置只需间歇性工作以分离氢气（图4a），其中富氢滤过气体在常压下由隔膜泵排出，而残留的富氧气体则从滤芯中排出。另外，图4b和图4c分别显示了进料、滤过和残留气体的累积量以及太阳光照强度和水裂解面板反应器中气体析出率的变化。需要指出的是，无论在不同天气条件下湿润氢氧气体的生产速率如何，气体分离膜装置在整个现场测试过程中都没有任何劣化的迹象。
简评
Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100 m2 -scale
Hiroshi Nishiyama, Taro Yamada, Mamiko Nakabayashi, Yoshiki Maehara, Masaharu Yamaguchi, Yasuko Kuromiya, Hiromasa Tokudome, Seiji Akiyama, Tomoaki Watanabe, Ryoichi Narushima, Sayuri Okunaka, Naoya Shibata, Tsuyoshi Takata, Takashi Hisatomi, Kazunari Domen
Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03907-3
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