近日，学院黄文财教授与福州伏智光催化研究中心吕锋仔先生和中国科学技术大学董振超教授合作，在光解海水制氢领域取得“芯”突破，相关成果以“Porous microreactor chip for photocatalytic seawater splitting over 300 hours at atmospheric pressure”为题发表在《Nano-Micro Letters》上（IF=31.6），并获得人民日报报道。研究团队开发的Ag3PO4/CdS多孔微反应器芯片刷新了光解天然海水制氢在常温、常压下的光氢转换效率和稳定运行时长记录。

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研究背景

       绿色氢能是最理想、最清洁的可再生能源，目前制备绿氢方式主要有三种，光解水制氢作为其中之一，已被列为中国科学院科技战略咨询研究院重点新兴前沿项目。相较于光伏电催化制氢和光电化学制氢，光解水制氢系统最为简洁、成本最低因而极具产业化前景。由于淡水资源稀缺性，光解海水制氢比光解淡水制氢更具竞争力。同时，对于实际应用，能在常压常温下正常运行的光解海水制氢系统可有效降低对环境条件的要求。然而，目前面临挑战是：现有文献报道光解海水制氢系统稳定性基本上只有约10个小时，而近常压常温下光解水光氢转化效率（STH）最高为0.41%，离产业化还有很大差距。

图1 光催化芯片设计示意图及空间电荷区内的厚度-能带弯曲KPFM图

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研究内容

       以高效光解海水制氢产业化为目标，本研究设计并开发出基于空位工程的Ag3PO4/CdS多孔微反应器芯片，实现了各项性能上的重大突破：

·提出在多孔基底上沉积薄膜的设计方案，开发出性能优异的Ag3PO4/CdS半导体芯片，其在天然海水中实现运行稳定性超过300小时，远超领域中约10小时的耐久瓶颈。采用通氧沉积使芯片表面富硫富银空位，确保了该芯片对硫物种的选择性吸附和对其它杂质的排斥性，打破了光解水体系在海水中运行相较于纯水中耐久显著下降的固有认知。此外，阶梯式电荷转移确保了载流子的空间分离，解决了Ag3PO4和CdS材料极易光腐蚀的难题。

·Ag3PO4/CdS半导体芯片在天然海水中的STH效率达到0.92%（模拟自然环境的常温/常压条件下），而目前在近常压/常温下已报道的最高STH效率为0.41%。空间电荷区内构建异质结并进行厚度调控在保留Ag3PO4和CdS强氧化还原能力的同时实现了良好的载流子动力学；不规则多孔结构特征使活性位点最大化，进而呈现高光解水活性；分层结构避免氢氧生成后复合发生，使其能在环境条件下高效工作。

·完成首个全太阳能驱动制氢模块设计与户外自然条件下光解海水制氢实验。通过阵列方式构建出具有25个反应单元的制氢模块，在无人工对流、温度控制和真空处理等任何其它条件辅助情况下，成功在户外实现了80.55 mmol h−1 m−2的析氢速率。该系统展现出向大面积灵活拓展的潜力和在实际应用中快速组装与更换故障反应单元的优势。

图2 Ag3PO4/CdS芯片稳定性测试和户外自然光照条件下制氢模块实验

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研究相关

       该工作在电子科学与技术学院黄文财教授、福州伏智光催化研究中心吕锋仔先生和中国科学技术大学董振超教授的共同指导下完成。电子科学与技术学院博士生朱德胜和助理教授董志鹏为该工作的共同第一作者。这一工作得到了福建省高校产学合作科技重大项目（2023H6003）和福州伏智光催化研究中心的资助。