CCS Chemistry | 盐差能耦合增强的光催化产氢系统

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近日，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队闻利平研究员课题组与吴骊珠院士、佟振合院士团队合作，提出了基于阳离子选择性传输通道材料的盐差能转换系统与光催化分解水制氢体系的耦合器件，实现了盐差能增强的光催化分解水产氢性能，表明了将盐差能与其他能源、资源体系耦合利用的可行性，为盐差能的应用拓展提供了全新的思路和方法。

图1

背景介绍：

化石燃料的快速消耗和随之而来的环境问题迫使人们探索成本低、可持续和生态友好的能源。海洋能由于储存量大、开发方式多样，已成为新能源开发利用的重要组成部分，特别是来自海水与河水盐度梯度的盐差能。具有可控离子传输行为的纳米流体可以实现高性能的盐差能转换，前期关于盐差能的利用以转化为电能为主。通过光/电化学分解水制氢实现太阳能转化是清洁能源利用的重要途径之一。光电化学分解水制氢体系需要额外的偏置电压来辅助电荷的定向传输和增强载流子分离，而盐差能和内部浓度梯度可以产生额外的电位，盐差能的引入有助于光催化分解水制氢效率的增强。此外，纳米通道材料将阳极和阴极之间的电解质隔开，以避免产物的副反应，并单独收集电极表面产生的产物。因此，将太阳能和盐差能同时转化为化学能将为光能和盐差能的综合利用以及离子的微尺度操控提供新应用。

本文亮点：

近日，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队闻利平研究员与吴骊珠院士、佟振合院士团队合作提出了基于纳米流体盐差耦合增强的光催化产氢系统（图1）。其中，纳米流体通道材料可以选用维度不同的材料：一维（1D）纳米纤维素（CNF）、二维（2D）MXene纳米片和三维（3D）水凝胶（AAc），研究并测试了上述材料的离子传输行为并将组建的盐差能转换器件与光催化分解水制氢体系进行耦合。可见光照射下，有浓度梯度耦合系统的光电流比没有浓度梯度的光电流显着增强（图2），其中MXene-CdSe QDs系统表现出最高的光电流增强比（ΔIL-H/ΔIL-L）。

图2

研究结果表明，以MXene阳离子选择性通道为隔膜材料和以CdSe量子点为光电阴极进行耦合，系统在0 V外置偏压（vs. RHE）及50倍浓度梯度条件下的产氢量约20000 μmol·g-1·h-1，与没有浓度梯度性能相比（~15000 μmol·g-1·h-1），产氢性能增加了约33%，同时保持较高稳定的法拉第效率，并且不需要任何牺牲剂或外部助催化剂（图3）。

图3

总结展望：

该研究首次提出了基于纳米流体盐差能耦合增强的光催化分解水制氢系统，利用该设计理念不仅组建了盐差能与太阳能的创新性耦合器件，而且为盐差能的进一步应用提供了新思路。该工作为进一步开展绿色能源耦合研究提供全新的视角，有助于推动可持续、清洁、丰富的太阳能和盐差能的发展。本论文以Research Article的形式发表在CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。

文章详情：

Osmotic-Enhanced-Photoelectrochemical Hydrogen Production Based on Nanofluidics

Pei Liu†, Xiao-Ya Gao†, Li-Jun Zhang, Weipeng Chen, Yuhao Hu, Xiang-Yu Kong*, Xu-Bing Li*, Liping Wen*, Chen-Ho Tung, Li-Zhu Wu* and Lei Jiang*

Cite this by DOI：10.31635/ccschem.022.202202215

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202202215

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原标题：《CCS Chemistry | 盐差能耦合增强的光催化产氢系统》

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