人类活动对地球气候的空前影响以及全球能源需求的持续增长使得开发碳中和能源变得更加重要。氢是一种有吸引力且用途广泛的能量载体（以及重要且广泛使用的化学物质），可通过使用阳光的光催化以及通过太阳能或风能驱动的电解从水中获得。最有效的太阳能制氢方案是将太阳能电池与电解系统相结合，在实验室规模下可实现 30% 的太阳能制氢(STH)的能量转换效率。光催化水分解的转化率明显较低，只有1%左右，但系统设计更简单、更便宜，更易于放大——前提是湿的、化学计量的氢和氧产品混合物可以在现场环境中安全地处理，并回收氢气。

有鉴于此，日本东京大学的Kazunari Domen等人，扩展了他们之前基于改进的、掺铝钛酸锶颗粒光催化剂的1平方米面板反应器系统的演示，报告了一个使用商业聚酰亚胺膜、面积达100平方米的面板反应器阵列，在安全运行的几个月时间内，可从潮湿的气体产品混合物中自动回收氢气。

本文要点

1）探索了太阳能制氢的规模化和气体处理技术，通过使用光催化剂片的面板反应器进行光催化水裂解。在东京大学的Kakioka研究设施内，通过排列1600个反应器单元（每个单元都有625 cm²的接收光面积），气体和反应物水的输送分别采用内径为8.6 mm和4.0 mm的聚氨酯管，建立了一个100 m²规模的光催化太阳能制氢系统。

2）该系统在对安全性和耐用性方面进行了优化，并且在回收的氢气被故意点燃时保持完好无损，达到了 0.76% 的最大 STH。虽然制氢效率低下且总体上依然耗能，但研究结果表明，安全、大规模的光催化水分解和气体收集和分离是可能的。

3）为了使该技术在经济上可行且可以得到实际应用，接下来的关键研究方向是反应器和工艺优化，以大幅降低成本，提高STH的效率、光催化剂的稳定性和气体分离效率。

参考文献：

Nishiyama, H., Yamada, T., Nakabayashi, M. et al. Photocatalytic solar hydrogen production from water on a 100 m²-scale. Nature (2021).

DOI: 10.1038/s41586-021-03907-3

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03907-3