FIE MiNi Review：从海水到氢气——直接光催化水蒸气分解的装置设计和系统集成综述

  （1）本文聚焦于前沿的太阳能光热-光催化装置设计和系统集成，概述了近期关于海水蒸发分解技术和在过去几十年的工业应用进展。

  （2）评述了关键流程设计策略，包括对海水蒸发温度与压力的控制、毛细管气化技术的应用以及直接光催化水蒸气分解制氢的方法。

  （3）讨论了现有的实验室规模与工业规模系统之间的差异，探讨了海水制氢技术未来的集成原则及其面临的挑战，为相关领域的研究和发展提供了参考和启示。

  太阳能驱动的分解水制氢技术被视为解决全球能源危机和推动工业脱碳的新兴方案。与纯水相比，海水即使在中东等干旱地区也广泛可用。若能有效利用太阳能，从海水中产生的氢气将成为一种丰富的可再次生产的能源。然而，海水中含有的多种离子对直接电解海水提出了重大挑战，例如，在阳极发生的与氯相关的竞争反应。通过结合海水净化系统和传统催化剂/电解槽，能解决这样一些问题，但这可能会使系统更为复杂。因此，许多研究致力于通过开发新型材料和系统集成技术来简化该过程，旨在直接利用海水作为太阳能驱动制氢的原料。迄今为止，已有几种方法被证明是可行的，它们能利用太阳光从海水中产生氢气。如图1所示，这一些方法大致上可以分为两大类：直接海水分解（上方虚线框内）和间接海水分解（下方虚线框内）。直接海水分解依赖于新型光/电催化材料，这些材料能在海水中存在的离子条件下工作，并通过太阳能直接驱动海水分解系统，例如光催化、光伏电解(PV-E)和光电化学电池。直接光催化海水分解面临的主要挑战之一是缺乏合适的光催化剂，这在海水的复杂成分下限制了其性能。此外，直接海水分解还存在别的问题，比如，在高产率下光催化剂上产生的H2/O2气泡有几率会使光散射，这也减缓了其在工业上的应用。

  间接气相海水光催化系统由集成的光热-光催化组件组成。系统中海水-蒸汽-氢气的传输过程和不同组件的转化功能，通过多层设计在图2中展示。在系统的底层，部分阳光到达光热组件并被转化为热量，用于海水的蒸发。同时部分热量也会散失到水和环境中，造成热损失。在其上方，由光热层产生的水蒸气被光催化组件捕获，并在阳光照射下分解产生氢气和氧气。

  研究发现，提高温度有利于水相光催化反应，但对气相反应却有相反效果。同时，更高的蒸汽压力和蒸汽进料速度分别有助于加速水分解反应和提高制氢速率。有效捕获和转移光催化产生的氧气也能明显提高产氢量。此外，光强度与蒸汽生成和制氢速率之间有直接的线性关系，因此太阳能密度是设计太阳能驱动制氢系统时的重要设计参数。

  太阳能水蒸发（SVG）面临着太阳能密度和能量通量不匹配的挑战，需要主动提高蒸汽的压力和温度。光学浓缩和热浓缩是两种主要的浓缩方法，光学浓缩通过聚焦太阳辐射来提高蒸汽生成的温度和热通量，而热学浓缩则通过局部提高蒸汽温度和热通量来实现。在SVG设备中，水供应路径需要与水分解速率匹配，因此就需要减少水供应率以增强表面的无盐蒸发。为此，提出了背向扩散、直接阻塞盐和无接触蒸发等多种设计和技术。同时，研究显示了一些新型催化剂对光催化制氢的潜力，尽管太阳能转换效率（STH）仍然需要提高。

  实验室已成功演示了一种光热-光催化系统，能够从海水中制取氢气。该系统通过集成光热和光催化过程，可以在自然阳光下实现稳定的制氢。尽管工业规模的应用受到制造方法和设备尺寸等因素的限制，但浮动无源SVG设备等小规模系统慢慢的开始实现分布式制氢。

  Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。

  出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。选文注重“前沿性、创新性和交叉性”，涉及领域包括：能源转化与利用，可再次生产的能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，新型能源系统，能源与环境，能源经济和政策。

  由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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