开发“漂浮在水面上”的绿色氢气生产平台

Published 28 Apr.2023 00:00(KST)

基础科学研究院：“世界最高性能”

一种能够漂浮在海洋、湖泊、河流等水面或废塑料溶液表面上并生产氢气的光催化平台已经被开发出来。

基础科学研究院（IBS）28日表示，由金大亨纳米粒子研究组副组长 Kim Daehyung（首尔大学化学生物工程系教授）和组长 Hyun Taeg Hwan（首尔大学化学生物工程系特聘教授）共同带领的研究团队，成功新开发出一种可漂浮于水面的光催化平台，其绿色氢气生产性能达到世界最高水平。

基础科学研究院（IBS）研究团队开发的浮式光催化平台结构。图片由IBS提供

要实现氢能的商业化，必须开发既环保又高效的氢气生产工艺和设施。现有的氢气生产方式——天然气水蒸气重整——存在需要大量能量且排放大量温室气体二氧化碳（CO2）的缺点。相比之下，基于光催化的制氢技术直接利用取之不尽的太阳能作为能源，并且不排放温室气体，因此备受关注。光催化剂通过吸收太阳能，将水（H2O）转化为氢气（H2）。

尽管为提升光催化性能已经开展了大量研究，但尚未实现商业化。在实际环境中运行时，需要先将粉末状光催化剂制成薄膜或面板形式，再配备用于在水中运行的专用容器以及将氢气导出水面的装置等，这些都会大幅降低制氢的经济性。

研究团队构思出一种可漂浮在水面上的凝胶形态新型光催化平台。该新平台为双层结构，由上层的光催化层和下层的支撑层构成。首先，研究人员将光催化剂制成冷冻气凝胶形态，以降低催化剂本身的密度。冷冻气凝胶是一种内部充满气体的固体材料，具有密度低的特点。无论是性能优异的铂（Pt）系催化剂，还是价格低廉的铜（Cu）基催化剂等各类光催化剂，都可以制备成冷冻气凝胶形态。在此基础上，又将两层结构制成布满微孔的多孔结构，以提高表面张力，使其更易漂浮在水面。

如此制成的“水凝胶平台”在水面上运行，因此可将氢气重新转化为水的逆反应降至最低，从而减少产物损失。此外，当催化剂浸没在水中时，随水深增加，入射光量会减少，而该平台漂浮在水面上，可在几乎无光散射的情况下高效利用太阳能。其还能以简便方式制备为大面积结构，也是重要优势之一。

研究团队还验证了其在太阳光照射下的制氢性能。使用面积为1平方米的水凝胶催化剂，每小时（折算值）可生产约4升氢气，这一性能达到世界最高水平。同时，即便在混有多种微生物和悬浮物的恶劣海水环境中连续运行超过2周，性能几乎没有下降。

主导该研究的副组长 Kim Daehyung 表示：“不仅在自然水体中，在将塑料瓶等生活废弃物溶解后的溶液中也能生产氢气，这意味着我们提出的平台有望成为废弃物处理的一种替代方案。”组长 Hyun Taeg Hwan 称：“我们确认了并非在利用受限的陆地，而是在海洋中生产绿色氢气的可能性，并获得了世界最高水平的生产性能。该平台不仅可用于制氢，还可应用于多种有机化合物和过氧化氢（H2O2）的生成，将有助于实现碳中和目标。”