中国科学家构建新型光热系统，实现规模室外阳光驱动甲醇重整制氢 “该成果有潜力成为甲醇加氢

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“该成果有潜力成为甲醇加氢站的绿色能源供给装置，为新能源汽车提供氢气。室外实验结果显示， 6m2的太阳光辐照面积下，一天产氢量可达23.27m3 ，具有直接工业化应用的潜力。在一个标准太阳光辐照下，该系统能将CuZnAl二维催化剂加热至305°C ，甲醇重整制氢的速率高达310mmolg-1h-1 ，太阳能-氢能转换效率达30.1% ，是目前文献报道的光催化产氢效率的6倍。 ”河北大学物理学院研究员李亚光表示。
近日，该团队在光热催化制氢方面取得重要进展，他们提出了一种普适策略，核心思想是基于异质结构提高光热材料的辐照温度。据此，李亚光构建出一个新型光热系统，让室外太阳光驱动甲醇的规模化重整制氢得以实现。

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图|李亚光（来源：李亚光）
6㎡光照面积下，一天产氢量达23.27m3

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其表示，实现自然光热催化是领域内的核心问题，关键在于提升光热材料的太阳光辐照温度。在该研究中，他将光学工程的“光谱选择吸收策略”引入光热催化领域，突破了自然光辐照下光热材料温度低的瓶颈问题。
上述新型光热系统，正是他所采取的主要技术手段。该系统的原理在于，通过窄带隙半导体和红外反射材料构成异质结构，去实现光热材料的高效光吸收和低红外辐射。随后，即可利用该策略制备成自然太阳光辐照下产生的高温热源，从而实现高效光热催化反应。
本次研究的大背景在于，化石能源是当前人类生活的主要能量来源，并且其需求正在急剧增加，但它的使用也导致环境污染和CO?排放等问题。光驱动的催化反应，以太阳光为能量来源去驱动催化反应，可以很好地解决上述问题。
经过多年的发展，光驱动的催化反应已经包括光伏电催化、光催化以及光热催化等。其中，凭借饱和光吸收和易于工业化的特点，光热催化得到了广泛关注。

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（来源：NatureCommunications）
虽然已经过长久发展，但光热催化在自然光辐照下，仍面临温度较低的瓶颈问题。工业催化的工作温度一般在200℃以上，而催化剂在自然光辐照下的温度普遍低于70℃ ，由于在自然光辐照下的催化剂温度过低，因此不能驱动工业催化。
另据悉，当前光热催化需要采用辅助加热、或增加光辐照强度，来提升催化剂温度。但这两种措施都会带来巨大成本和能源消耗，导致光热催化无法投入应用。所以在低密度室外太阳光辐照下，去提升光热材料的光热温度，既是研究热点、也是现实工业需求。
为了提高光热材料在太阳光辐照下的温度，人们普遍采用提高光吸收和降低热传导的策略。如石墨烯@ZIFs的材料，该材料具有98%光谱吸收效率、以及0.2WmK-1的低热传导，在一个标准太阳光辐照下的温度为120°C ，同时也是目前文献报道的最大值，但这一温度仍然难以驱动大多数催化反应。

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（来源：NatureCommunications）
综上，这些策略均无法解决光热材料辐照温度较低的瓶颈问题。从工程角度来说，材料的热耗散不仅有热传导，还有红外辐射。而且材料的温度越高，红外辐射所占的热耗散比例越高。据了解，材料在高温时的主要热耗散来自红外辐射。同时在光辐照下，红外辐射也是阻碍材料温度升高的主要原因。