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来源：高分子科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
可漂浮的光催化水凝胶纳米复合材料用于用于大规模太阳能制氢
在多相光催化的帮助下，将太阳能储存在化学键中是可持续能源转换所需要的。尽管最近在设计高活性光催化剂、低效太阳能和传质方面取得了进展，但催化剂的不稳定性和反反应阻碍了其实际的大规模应用。在这里，韩国基础科学研究院的科学家通过设计一个由多孔弹性体-水凝胶纳米复合材料构建的可漂浮光催化平台来应对这些挑战。空气-水界面处的纳米复合材料具有高效的光传输、快速的水供应和即时的气体分离功能。因此，即使没有强制对流，使用Pt/TiO2气凝胶也可以实现163 mmol h–1 m–2的高析氢速率。当与单原子Cu/TiO2光催化剂结合时，纳米复合材料在自然阳光下每天产生79.2毫升氢气。该论文以“Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上。纳米复合材料具有双层结构（图1）。上层是由亲水性聚氨酯（HPU）和聚丙二醇（PPG）聚合物以及光催化剂组成的光催化层。下层是支撑层，由HPU和PPG的相同主链聚合物组成。可漂浮的纳米复合材料将上部光催化层暴露在水面上方，从而能够以最小的水诱导光衰减进行有效的光传递和容易分离产生的H2气体。催化层顶部的疏水性二氧化硅气凝胶通过增强纳米复合材料的表面张力，最大限度地提高了可漂浮性，并最大限度地减少了下沉的机会。此外，高度耐用的弹性体-水凝胶（HPU–PPG）复合材料能够长期固定光催化剂并保持活性。当反应物（水）和产物（H2）的从底部引导到顶部时，可漂浮的纳米复合材料有助于气体分离并抑制H2的反氧化。纳米复合材料的高孔隙率和亲水性也在为光催化剂提供容易获得的水方面发挥着至关重要的作用。随后作者掺入铂/氧化钛（Pt/TiO2）和单原子铜/氧化钛NP（Cu SA/TiO2 NP）制备出气凝胶纳米复合材料，然后通过在纳米复合材料上添加疏水性二氧化硅气凝胶（白色圆圈）来制备光催化层。作者通过闪蒸技术将Pt/TiO2转化为冷冻气凝胶，将所有组分中最重的Pt/TiO2的密度降低了约50%。此外，利用具有亲水和疏水表面的Janus结构，提高了表面张力来最大限度地提高可漂浮性（图2）。此外，催化层表现出比支撑层更低的可漂浮性，但可以通过添加疏水性二氧化硅气凝胶来提高其可漂浮性（图2g）。同时，二氧化硅气凝胶的存在也不会影响水凝胶纳米复合材料的光吸收性能。由于纳米复合材料由具有多孔结构的弹性体-水凝胶骨架聚合物组成，水（析氢反应（HER）的反应物）可以以最小的阻力到达催化组分。HPU–PPG复合材料即使在强碱溶液或含有有机溶剂的海水等恶劣环境下，也能实现光催化剂的长期材料稳定性和可靠固定化。此外，二氧化硅复合材料中的气凝胶表现出可忽略不计的浸出性，这意味着其具有长期可漂浮性。作者测试了嵌入Pt/TiO2冷冻气凝胶作为光催化剂的复合材料的性能（图3）。与下沉的纳米复合材料（77.2 mmol h–1 m–2）相比，可漂浮的纳米复合物的析氢速率增加了两倍（163 mmol h-1 m–2，图3）。作者通过数值模拟发现在可漂浮的纳米复合材料的情况下，空气中的H2浓度随着时间的推移而迅速增加，这对捕获生成的H2至关重要（图3f），而下沉的纳米复合物在空气中表现出缓慢得多的H2浓度增加（图3g）。这主要是由于H2在水中的扩散系数明显低于在空气中的扩散系数。此外，弹性体-水凝胶纳米复合材料的长期稳定性允许在HER的三个循环期间具有稳定的光催化活性（图3小时）。纳米复合材料还可以应用于其他光催化剂，如Pt/石墨氮化碳NP（Pt/g-C3N4 NP）和Cu SA/TiO2 NP。光催化剂的稳定固定化和纳米复合材料的高耐久性导致即使在海水中也具有高HER性能（图4a，b），这与在去离子水中的HER活性相当（图3h）。作者模拟了在真实环境中光催化实验，结果表明下沉的光催化剂表现出比可漂浮的纳米复合物明显更低的光催化性能（图4c）。同样作者也证明了可漂浮的光催化纳米复合材料的尺寸可以进一步放大，具有极大的产业化潜力。作者制备总面积为1m2的阵列纳米复合材料（图5），并且使用Cu SA/TiO2 NP代替Pt/TiO2冷冻气凝胶作为光催化剂。在平均强度为0.732 kW m–2的自然阳光照射下，1 m2规模的纳米复合材料每天可产生79.2 ml的H2（图第5c段）。总结：该工作所制备的纳米复合材料在海水和高度浑浊的水中长期稳定的氢气生产以及聚对苯二甲酸乙二醇酯的光成型证明了纳米复合材料作为商业上可行的光催化系统的潜力。--纤维素推荐--
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