论文推荐丨西安交通大学刘茂昌教授：光热协同催化分解水制氢研究：能质传输与转化视角下的挑战与突破

这篇综述聚焦于太阳能光催化分解水制氢技术，从能质传输与转化的角度出发，探讨了光催化分解水制氢的基本原理、瓶颈问题及优化策略。论文详细阐述了太阳能聚光−光热耦合反应系统、光热基底构建的液−固/气−固解耦型反应体系，以及空气集水与光催化分解水耦合制氢的策略。通过构建光热基底介导的气-固异相反应界面，实现了载能子迁移和物质转化效率的显著提升，为推进太阳能至氢能的高效转化提供了具有工程指导价值的理论框架和技术路径。

光热协同催化分解水制氢研究：能质传输与转化视角下的挑战与突破

作者

剡雪丽, 王歆诒, 曾梓玉, 张诗悦, 张永旺, 赵鑫源, 赵仕东, 王标, 王树建, 刘茂昌

单位

西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室

引用格式

剡雪丽,王歆诒,曾梓玉,等.光热协同催化分解水制氢研究:能质传输与转化视角下的挑战与突破[J]. 洁净煤技术,2024,30(12):56−75.

YAN Xueli, WANG Xinyi, ZENG Ziyu, et al. Photothermal synergistic catalytic water splitting for H2 production: challenges and breakthroughs from the perspective of energy and mass transfer and conversion[J]. Clean Coal Technology,2024,30(12):56−75.

创新点

（1）系统剖析光催化分解水制氢面临的关键问题，如非稳态光吸收、缓慢传质及水资源匮乏困境；全面梳理并分析了聚光光热耦合、光热界面解耦、空气集水光催化耦合等优化策略研究。

（2）创新提出多项前沿策略：采用聚光光热耦合，增强太阳能利用与载流子转化；构建光热界面解耦体系，突破三相体系传质瓶颈；利用太阳能分频与气固界面构建，实现空气集水与光催化制氢耦合，为缺水地区制氢提供新路径，推动该技术发展。

（3）从工程应用专业视角，强调系统设计与规模示范对光催化制氢工业化的关键意义。明确未来研究聚焦跨尺度模拟优化、多功能材料研发、智能调控系统构建、环境适应性探索及规模化示范与经济性分析，为该技术工业化提供支撑，助力清洁能源发展与“双碳”目标达成。

研究背景

化石燃料的持续消费导致全球能源危机和环境污染问题日益严重，推动了对高效、清洁、可再生新能源的开发需求。氢气因其高能量密度和清洁燃烧特性，被视为未来理想的能源载体。光催化分解水制氢以太阳能和水为输入，具有系统简单、成本低廉的优势，是实现清洁、高效制氢的重要途径。然而，传统光催化制氢效率较低，主要受限于光吸收不足、载流子复合严重以及多相反应界面的能质传输与转化效率低下等问题。因此，亟需从能质传输与转化的角度优化光催化分解水制氢过程，以突破技术瓶颈，提升整体效率。

研究内容

本文系统综述了光催化分解水制氢的基本原理及其物质流和能量流的传输机制。深入分析了光催化反应界面的能质传输与转化过程，揭示了传统光催化制氢效率低下的关键瓶颈。在此基础上，详细介绍了若干优化策略：一是通过太阳能聚光−光热耦合技术，实现光热协同，显著提升太阳能的宽光谱利用率和载流子反应势能；二是构建基于光热基底的液−固/气−固解耦型反应体系，有效克服传统三相体系中气泡生成导致的传质限制；三是利用太阳能分频技术和气固界面构建，实现空气集水与光催化分解水的耦合制氢，以应对水资源受限问题。此外，从工程化角度探讨了系统设计及其大规模示范的可行性，为构建高效光催化分解水系统提供了全面的理论支持和实践参考。

研究结论

本文聚焦光热协同催化分解水制氢技术，针对光-氢转化效率提升难题展开研究，得出如下结论：

1）优化策略显著提升转化效率：聚光光热耦合拓宽太阳能光谱利用范围，突破反应温度限制，优化能量流分配；光热界面解耦改善能量与物质传输，降低反应势垒，增强气相产物脱附能力；空气集水光催化耦合利用大气水实现原位制氢。这些策略有效解决能质传输与转化的时空不匹配问题，为高效光-氢转化提供理论与方法支撑。

2）系统设计与规模示范意义重大：工程化视角下，系统设计是实现大规模户外光催化制氢的核心，涵盖光反应器与聚光器集成、太阳能利用、工艺优化及上下游流程等方面。粉末悬浮型和固载型光反应器各有优劣，具备发展潜力。现有光热聚光系统和界面解耦固载催化装置为技术工业化奠定实践基础。

3）明确未来研究关键方向：光催化分解水技术从实验室走向工业应用仍面临挑战。未来研究应聚焦跨尺度模拟优化、多功能材料研发、智能调控系统构建、环境适应性探索以及规模化示范与经济性分析，为技术商业化提供数据与技术支持，推动其在全球清洁能源领域的广泛应用。

重要图表

图 1 光热协同催化助力制氢反应温度提升与效率优化

图 2 光热效应助力光催化分解水的全光谱利用及动力学改善

图 3 光热−界面解耦对光催化能量与物质传输转化的优化

图 4 光催化分解空气水原位制氢

作者简介

剡雪丽

剡雪丽，2019年本科毕业于山东大学，目前在西安交通大学绿色氢电全国重点实验室攻读动力工程及工程热物理专业博士学位。主要从事太阳能驱动空气水-氢联产方面的研究，在Nano Lett、EcoMat.、EES Catal.等著名学术期刊发表论文10余篇。研究成果获Wiley China Excellent Author Program奖项和中国工程热物理学会多相流学术年会科普作品技术推介奖等。

通讯作者简介

刘茂昌

刘茂昌，2014年博士毕业于西安交通大学。现任西安交通大学教授，并兼任动力工程多相流国家重实验室主任学术助理，国家基金委“能源有序转化”基础科学中心项目办公室副主任，国家级青年人才、陕西省青年科技奖、吴仲华优秀青年学者奖、霍英东青年教师基金获得者。主要从事太阳能-氢能/碳氢燃料的高效低成本规模转化利用方面的研究，在Nature Energy、Nature Commun.、PNAS、Energy Environ. Sci.等著名学术期刊发表一作及通讯作者论文60余篇，获国家发明专利授权10余件。应邀做国内国际会议邀请或主旨报告19次，担任分会主席7次。研究成果获国家自然科学奖二等奖、陕西省科学技术奖一等奖及陕西省优秀学术论文奖一等奖等。

策划丨白娅娜

责编丨李雅楠

编辑丨李莎

审核丨常明然