Fluolab
Search K

切换日光/暗黑模式

【Adv.Mater.】 光能与海水的绿色转化：光催化过氧化氢的燃料潜力解析 ​

文章标题：Turning Sunlight and Seawater Into Energy: Photocatalytic Hydrogen Peroxide as a Green Fuel Carrier
通讯作者：Peng Ren
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.72660

image.png

文章概要 ​

引言 ​

过氧化氢（H₂O₂） 因其高能量密度、完全水溶性和碳中性分解特性，逐渐成为一种新兴的绿色能源载体。它不仅能在燃料电池、机器人和火箭推进中释放能量，还能作为环保氧化剂应用于漂白、污染治理、化学合成和医疗消毒。然而，传统的工业生产方式——蒽醌法，存在高能耗和副产物污染等问题。相比之下，光催化方法利用太阳能驱动氧气和水反应生成H₂O₂，在温和条件下实现零碳排放，具有巨大潜力。尤其是海水资源覆盖地球71%的表面积，占全球水资源的97%，为大规模制备H₂O₂提供了独特优势。但海水复杂的成分和高盐度也带来了催化剂失活、反应路径干扰等挑战。

image.png

主要总结 ​

文章系统总结了光催化H₂O₂的三大反应路径：

  • 氧还原反应（ORR）：通过两电子过程生成H₂O₂，直接路径热力学更优，但间接路径动力学更易实现。
  • 水氧化反应（WOR）：光生空穴直接或间接氧化水生成H₂O₂，但选择性易受竞争反应影响。
  • 双通道路径（ORR+WOR）：充分利用光生电子与空穴，原子利用率达100%，被认为是理想的反应模式。

image.png

研究还提出了光催化中间水分解（PIWS） 的新概念，实现H₂与H₂O₂的协同生成，避免了传统水分解中氢氧混合带来的安全与分离难题。与此同时，直接过氧化氢燃料电池（DHPFCs） 展示了H₂O₂作为液态燃料的应用前景，简化了储存与运输过程，理论电压接近氢燃料电池。

image.png

在海水体系中，复杂的离子与有机物显著影响反应选择性与催化剂稳定性。例如，氯离子可能引发副反应生成活性氯物种，导致H₂O₂快速分解；金属离子则可能通过“类芬顿反应”消耗产物，但也能在特定条件下促进反应。研究者通过界面工程、离子调控、催化剂设计等方法，逐步提升了在真实海水环境下的产率与稳定性。

image.png

文章还梳理了近十年的发展历程：从2016年WO₃光电化学体系实现海水到电能的连续转化，到2025年Pd/GaN纳米线阵列实现海水同步分解生成氢气与H₂O₂，展示了技术的不断突破。最新的研究利用机器学习优化多离子协同效应，在真实海水中实现了超过19,000 µmol g⁻¹·h⁻¹的高产率，显示出工业化应用的潜力。

image.png

总结及展望 ​

image.png

光催化海水制备H₂O₂不仅为绿色能源提供了新路径，也为环境治理和化工合成开辟了新可能。未来的研究需要在以下方面突破：

  • 催化剂设计：开发具备抗腐蚀、抗污染能力的材料，优化能带结构与界面电荷分离。
  • 体系简化：减少对复杂预处理的依赖，探索自适应的催化剂与微环境调控。
  • 应用耦合：将光催化制备与燃料电池、污染治理等下游应用紧密结合，实现能源与环境的双重效益。

这篇综述为海水直接光催化生成H₂O₂提供了全面的理论框架与实验进展，揭示了其在未来能源转型与可持续发展中的重要地位。