【研究背景】

光驱动的海水氢因其在全球能源消费脱碳中的新兴作用而引起人们的极大兴趣。考虑到天然海水含量的复杂性，如在阳极发生的与析氯竞争反应。虽然通过结合海水净化系统和传统催化剂/电解槽，可以解决这些问题，但这可能会使系统更加复杂。光催化蒸汽分解提供了一种低成本、安全的解决方案，但太阳能到氢气的转化效率非常低。

因此，许多研究致力于通过开发新型材料和系统集成技术来简化该过程，旨在直接利用海水作为太阳能驱动制氢的原料。迄今为止，已有几种方法被证明是可行的，它们能够利用太阳光从海水中产生氢气。

该文以光热-光催化器件设计和系统集成为重点，综述了近几十年来海水蒸汽分离的最新研究进展以及工业应用。此外，还回顾了关键工艺的设计策略，包括海水太阳能热蒸汽生成过程中的蒸汽温度和压力控制、带拒盐性的毛细管蒸发和直接光催化蒸汽裂解制氢。讨论了现有的实验室规模和工业规模系统及未来海水制氢技术的集成原则和剩余挑战。

目前，该文以“From seawater to hydrogen via direct photocatalytic vapor splitting: A review on device design and system integration”为题在《Frontiers in Energy》（IF2022=2.9）上发表。通讯作者为滑铁卢大学Wu Xiaoyu副教授。

【文章解读】

目前光驱动制氢方法主要分为两大类：直接海水分解和间接海水分解。直接海水分解依赖于新型光/电催化材料，这些材料能在海水中存在的离子条件下工作，并通过太阳能直接驱动海水分解系统，例如光催化、光伏电解(PV-E)和光电化学电池。

直接光催化海水分解面临的主要挑战之一是缺乏合适的光催化剂，这在海水的复杂成分下限制了其性能。此外，直接海水分解还存在其他问题，比如，在高产率下光催化剂上产生的H2/O2气泡可能会导致光散射，这也减缓了其在工业上的应用。

图1. 光驱动产氢的两种方式

图2. 光热催化的关键进程

① 影响氢气产量的参数：讨论了蒸汽温度、压力、蒸汽生成速率和光照强度等关键参数对氢气产量的影响。

图3. 光聚集在界面蒸发和产氢中的应用

② 设计策略：回顾了控制蒸汽温度和压力、抗盐措施以及直接光催化蒸汽分解的关键设计策略。

图4. 热局域效应带来的高温高压蒸发器

图5. 光热蒸发过程中的耐盐性能

③ 集成系统：讨论了实验室规模的原型设计和工业级别的实施案例，以及这些系统的设计原则、优势和剩余挑战。

图6. 实验室级别的光热-光催产氢

图7. 光热-光催产氢产业试点项目

【文章总结】

该文强调了提高光热-光催系统性能的必要性，包括开发新的光热/光催材料、优化结构设计以改善质量传输、功能设备整合和过程优化。目标是最大化利用太阳能，并将其高效地用于蒸汽生成或分解以提高产氢效率。此外，该文还讨论了提高蒸汽分解过程的效率所需的有效蒸汽和气体传输，及通过微/纳米制造技术实现理想蒸汽和气体通道的设计。最后强调了优化光热和光催化过程的耦合对于实现高性能蒸汽分解系统的重要性。综上，光热界面蒸发于光催化产氢的未来大有可为！

【文献来源】

H. Li, K. AHMED, M. ABDELSALAM,et al,. From seawater to hydrogen via direct photocatalytic vapor splitting: A review on device design and system integration. Front. Energy.

https://doi.org/10.1007/s11708-024-0917-9

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