“該成果有潛力成為甲醇加氫站的綠色
能源供給裝置，為新能源汽車提供氫氣。室外實驗結果顯示，
6m
2
的太陽光輻
照面積下，一天產氫量可達
23。27m³，具有直接工業化應用的潛力。在一個標準太陽光輻照下，該系統能將 CuZnAl 二維催化劑加熱至 305 °C，甲醇重整制氫的速率高達 310mmol g
-1
h
-1
，太陽能-氫能轉換
效率達
30。1%，是目前文獻報道的光催化產氫效率的 6 倍。”河北大學物理學院研究員李亞光表示。
近日，該團隊在光熱催化制氫方面取得重要進展，他們提出了一種普適策略，核心思想是基於異質結構提高光熱材料的輻照溫度。
據此，李亞光構建出一個新型光熱系統，讓室外太陽光碟機動甲醇的規模化重整制氫得以實現。
圖 | 李亞光（來源：李亞光）
6㎡光照面積下，一天產氫量達23。27m³
其表示，實現自然光熱催化是領域內的核心問題，關鍵在於提升光熱材料的太陽光輻照溫度。在該研究中，他將光學工程的“光譜選擇吸收策略”引入光熱催化領域，突破了自然光輻照下光熱材料溫度低的瓶頸問題。
上述新型光熱系統，正是他所採取的主要技術手段。該系統的原理在於，透過窄帶隙半導體和紅外反射材料構成異質結構，去實現光熱材料的高效光吸收和低紅外輻射。隨後，即可利用該策略製備成自然太陽光輻照下產生的高溫熱源，從而實現高效光熱催化反應。
本次研究的大背景在於，化石能源是當前人類生活的主要能量來源，並且其需求正在急劇增加，但它的使用也導致環境汙染和 CO₂ 排放等問題。光碟機動的催化反應，以太陽光為能量來源去驅動催化反應，可以很好地解決上述問題。
經過多年的發展，光碟機動的催化反應已經包括光伏電催化、光催化以及光熱催化等。其中，憑藉飽和光吸收和易於工業化的特點，光熱催化得到了廣泛關注。
（來源：
Nature Communications
）
雖然已經過長久發展，但光熱催化在自然光輻照下，仍面臨溫度較低的瓶頸問題。工業催化的工作溫度一般在 200℃ 以上，而催化劑在自然光輻照下的溫度普遍低於 70℃，由於在自然光輻照下的催化劑溫度過低，因此不能驅動工業催化。
另據悉，當前光熱催化需要採用輔助加熱、或增加光輻照強度，來提升催化劑溫度。但這兩種措施都會帶來巨大成本和能源消耗，導致光熱催化無法投入應用。所以在低密度室外太陽光輻照下，去提升光熱材料的光熱溫度，既是研究熱點、也是現實工業需求。
為了提高光熱材料在太陽光輻照下的溫度，人們普遍採用提高光吸收和降低熱傳導的策略。如石墨烯 @ZIFs 的材料，該材料具有 98% 光譜吸收效率、以及 0。2W mK-1的低熱傳導，在一個標準太陽光輻照下的溫度為 120°C，同時也是目前文獻報道的最大值，但這一溫度仍然難以驅動大多數催化反應。
（來源：
Nature Communications
）
綜上，這些策略均無法解決光熱材料輻照溫度較低的瓶頸問題。從工程角度來說，材料的熱耗散不僅有熱傳導，還有紅外輻射。而且材料的溫度越高，紅外輻射所佔的熱耗散比例越高。據瞭解，材料在高溫時的主要熱耗散來自紅外輻射。同時在光輻照下，紅外輻射也是阻礙材料溫度升高的主要原因。
由斯特藩-玻爾茲曼定律可知，材料的紅外輻射與溫度的四次方成正比。李亞光和團隊的此前論文指出，當黑色光熱材料在一個標準太陽光（1kWm²）輻照下的溫度為 200℃ 時，其熱耗散為 2。27kWm² ，遠遠高於光能量輸入，顯然材料不能維持 200℃ 的溫度。
而紅外輻射是材料的本質特徵，只要存在溫度差，物體時刻會向外界發出熱輻射。基爾霍夫定律指出，一個物體對紅外光的吸收比越大，它的輻射強度也就越大，即紅外吸收越強的物體、其紅外發射也越強。
圖 | 黑色材料的吸光特性及紅外輻射（來源：
Nature Communications
）
太陽光譜的能量，主要集中在紫外-可見-近紅外波段，而遠紅外波段的能量則很少。如果材料不吸收紅外光，或者說盡可能少地吸收紅外光，如此就能減少紅外輻射。但也要對紫外-可見-近紅外波段進行高效吸收，才能達到吸收太陽光譜能量的效果，即讓“光譜選擇吸收策略”在提升材料太陽光吸收的同時，還能降低材料熱輻射。出於該目的，
李亞光將窄帶隙的吸光材料和紅外反射材料構成異質結構，從而去最佳化光熱材料的太陽光吸收和紅外輻射。
近日，相關論文以《光熱材料的通用異質結構策略用於可規模化的太陽能光熱制氫》（General heterostructure strategy of photothermal materials for scalable solar-heating hydrogen production without the consumption of artificial energy）為題，發表在 Nature Communications上，李亞光擔任第一作者兼通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：
Nature Communications
）
學科交叉有時會催生革命性進展
具體來說，該團隊選擇碲化鉍（Bi
2
Te
3
）為吸光材料，原因在於它是典型的窄帶隙光熱材料，能有效吸收太陽光譜能量並轉化為熱能。
另外，還需減少紅外發射，為此他們選擇具有強烈紅外輻射反射能力的金屬銅作為基底，這樣就能產生以碲化鉍和紅外反射材料銅構成的異質結構。
同時，為減少材料的熱傳導，李亞光將其進行真空封裝。最終碲化鉍/銅能吸收 89% 的太陽光譜能量，紅外輻射也變為純碲化鉍的 1/20。在一個標準太陽光輻照下，純碲化鉍粉末的輻照溫度為 93°C，而碲化鉍/銅異質結構的溫度達到 317°C，這一溫度遠超過目前光熱材料在一個標準太陽光輻照下的最高溫度：120°C。
為什麼要選擇窄帶隙的光熱材料呢？主要原因有二：其一，窄帶隙半導體的禁頻寬度低於 0。2eV，不僅能高效吸收太陽光，還能進行高效的光熱轉換。由於太陽光譜中絕大部分光子能量大於 0。5eV，窄帶隙半導體幾乎能吸收所有的太陽光子。與此同時，窄帶隙材料的能帶缺陷很複雜，這會使得吸收光子的大部分能量以熱能的形式釋放。而深能級的空穴，也是會先弛豫到價帶頂和導帶底的電子複合，最終把多餘能量以熱能形式釋放。
其二，窄帶隙半導體薄膜工藝成熟，可以降低製備成本，易於工業化。
李亞光指出，既然由碲化鉍/銅構成的異質結構，能在一個標準太陽光輻照下達到 317°C 的高溫，這樣就可實現多個催化反應。氫氣是未來社會的基礎能源之一，具有很好的發展前景。但是，儲存問題阻礙著氫氣的發展，甲醇作為氫氣的載體可以解決這一問題。但是甲醇釋放氫氣也需要能源輸入，而碲化鉍/銅構成的異質結構，在光照下的溫度完全可以驅動甲醇重整制氫反應。
如前所述，為讓上述策略能用於光熱催化，李亞光將碲化鉍/銅異質結構製備成光熱系統，然後結合高效的甲醇重整催化劑，藉此實現太陽光輻照下的甲醇重整制氫反應。
圖 | （a） 碲化鉍/銅基光熱系統示意圖；（b） 不同光照條件下的甲醇重整制氫效能圖；（c） 不同光照條件下的太陽能到氫能轉化效率圖；（d） 室外光熱甲醇重整制氫系統實物圖；（e） 測試期間的太陽光密度；（f） 自然光照條件下產氫速率隨時間變化圖（來源：
Nature Communications
）
在整個方向的最初階段，他們的科研目的是大幅提升光熱材料的標準太陽光輻照溫度，以達到 300°C 的級別。當然這個輻照溫度會突破當時人類認知的極限，因此立項時必須重視理論可行性。
驗證完理論可行性後，要根據最基礎的理論來探索實現方法。他表示：“一個人的知識和精力是有限的，做新方向時需要很多專業人士共同協作。例如，我本身是做粉末光碟機動催化方向，關於薄膜的製備經驗比較少，但是我們課題組有老師是專門做薄膜材料的，這讓我在製備碲化鉍/銅異質結構時得到了很多幫助。”
事實上，一開始李亞光和大家的想法一樣，就是透過做黑色光熱材料的多孔結構或者氣凝膠結構，在保證光熱材料高效太陽光吸收的同時，去降低材料的熱傳導。
但是，他們發現該方式製備的光熱材料的標準太陽光輻照溫度，始終低於 100℃。在和光催化以及光熱催化領域的專家討論時，大家都認為將光熱材料的標準太陽光溫度，提高至超過 100℃、達到 200℃、甚至 300℃ 的想法是不現實的。但是在一次和光學工程的專家討論的時候，他說這個非常簡單，就是採用選擇吸光原理。所以，李亞光等人根據這個選擇吸光原理完成了整個研究。
他說：“這件事讓我感受最深的是。廣泛的學科交叉可能會給某一方向的研究帶來革命性的進展和變化。”
可用於光熱催化甲醇重整產氫、水煤氣變換反應、和消除揮發性有機物等
據介紹，本次成果的應用性極強。在前前後後的研究工作中，李亞光在新型光熱系統的基礎上，與工業催化劑耦合，實現了太陽光碟機動的系列性工業催化，並展現出創紀錄的效能和規模化生產前景。
（來源：
Nature Communications
）
具體應用場景如下：
1、可讓自然太陽光碟機動甲醇重整產氫
熱催化甲醇重整產氫需要天然氣燃燒提供熱源，每產生 10m³ 氫氣需要消耗 1m³ 的天然氣。研究中，該實驗室批次製備了高效能二維銅基催化劑，結合新型光熱裝置，標準太陽光碟機動的甲醇重整產氫速率為 3845 Lm
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² h
-
1
，光能-化學能轉換效率達到 30。1%。李亞光等人將光熱甲醇重整制氫系統放大至 6m
2
規模，在春季的室外太陽光輻照下制氫量高達 23。27m³/天，因此具備工業化應用潛力。
2、自然太陽光碟機動水煤氣變換反應
水煤氣變換可直接將煤炭資源轉換為氫能，對緩解中國當前的能源和環境危機有極大的助益。然而傳統的水煤氣變換反應是一個熱催化過程，在工業化應用中，高溫的產生會導致巨大的能量消耗，這也是科研人員長期以來無法突破的瓶頸。
而該團隊利用選擇吸光原理構建了新型光熱轉換裝置，在 1 個太陽光碟機動的產氫速率為 189。72mmol g
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h
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，相當於 758。6Lm
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h
-1
。將該新型水煤氣變換系統放大到工業規模執行，在春季的白天，由 4。2m
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的室外太陽光碟機動可產生 6。60m³的氫氣，為解決水煤氣變換領域的高能耗問題提供了切實可行的途徑，同時也開闢可規模化、高效、穩定的工業水煤氣變換制氫新方向。
3、自然太陽光碟機動揮發性有機物消除
揮發性有機物，是形成細顆粒物（PM2。5）、臭氧（O3）等二次汙染物的重要前體物，進而引發灰霾、光化學煙霧等大氣環境問題。
李亞光說道：“為根本解決 PM2。5、O3 等汙染問題，切實改善大氣環境質量。國家應積極推進揮發性有機物的汙染防治工作。”
但是，目前揮發性有機物汙染消除需要大量能源。而該團隊基於選擇性光吸收原理構建的新型光熱系統，在一個標準太陽光輻照下可產生 250-300℃ 的高溫，足夠進行揮發性有機物催化消除。
“我們還基於模板法開發了一系列新型催化劑。結果表明，在自然太陽光輻照下，新型光熱系統和催化劑在 CO 氧化、NOx 脫除、甲苯、氯苯催化燃燒等一系列揮發性有機物消除方面顯示出可以直接工業化的效率。該方式不僅在大氣汙染治理方面具有工業量級的效率，而且只需要太陽光提供能源，是下一代的大氣環境汙染處理裝置。”李亞光總結稱。
目前，該團隊的主要研究方向為光碟機動碳中和，光碟機動碳中和的主要研究方向為光伏電催化 CO₂ 資源化，但仍面臨著光能-化學能轉換效率低、難以規模化和材料成本較高這三個核心問題。因此，他們下一步的主要研究方向是利用光熱、光電等光碟機動技術的多場耦合，開發一種新的光碟機動 CO₂ 資源化技術，以實現規模化生產，提升光能-化學能效率，並大幅度降低系統成本。
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