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通常，綠色氫是通過電解槽和光催化水分解產(chǎn)生的。綠色氫的商業(yè)化生產(chǎn)存在生產(chǎn)成本高、光催化劑穩(wěn)定性、催化劑性能和海水使用等障礙。
光催化太陽能水分解為生產(chǎn)符合環(huán)保要求的低成本綠色氫氣打開了一扇新的機(jī)會(huì)之窗。環(huán)境中有充足的太陽能，選擇正確的高性能、長(zhǎng)期、穩(wěn)定的光催化劑可以提高綠氫的產(chǎn)量并降低價(jià)格。
值得注意的是，所有可用于通過水分解生產(chǎn)氫氣的光催化劑都是粉末狀納米顆粒的形式，這會(huì)導(dǎo)致金屬損失和侵蝕，導(dǎo)致光催化活性降低并影響運(yùn)行成本。此外，粉末狀納米顆粒光催化劑系統(tǒng)僅在分批模式下操作，并且不能控制氫氣生產(chǎn)速率。
粉末狀納米顆粒光催化劑含有半導(dǎo)體，這些半導(dǎo)體會(huì)滲入水體，破壞生態(tài)金字塔。目前業(yè)界已經(jīng)提出了金屬有機(jī)框架來支撐合金的納米顆粒，以防止反應(yīng)過程中金屬聚集并提高催化活性。
印度賈達(dá)夫普爾大學(xué)化學(xué)工程系納米工程和可持續(xù)能源實(shí)驗(yàn)室的Kajari Kargupta教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在開發(fā)了一種封裝在珠型光催化劑中的環(huán)保、可回收的3D有機(jī)藻酸鹽水凝膠。這項(xiàng)研究發(fā)表在《國(guó)際氫能雜志》上。
這些類型的基于3D金屬有機(jī)框架的水凝膠光催化劑可以提供穩(wěn)定的連續(xù)氫速率。通過用食品級(jí)材料海藻酸鈉封裝，半導(dǎo)體的毒性作用被最小化。
藻酸鈉是用于光催化劑包封的微粒的優(yōu)選生物聚合物。它是由棕色海藻提取物商業(yè)化生產(chǎn)的。隨著時(shí)間的推移，由于金屬離子在凝膠化過程中的固定化，幾個(gè)研究小組已經(jīng)形成了不同的金屬-聚合物復(fù)合材料。
該小組研究了一種在全波段太陽輻射下以間歇和連續(xù)模式運(yùn)行的壓力驅(qū)動(dòng)流通系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種新型的具有高保水能力的有機(jī)藻酸鹽水凝膠包封的3D微粒光催化劑來增強(qiáng)水的太陽能制氫。主要重點(diǎn)是增強(qiáng)水分子在光催化劑活性位點(diǎn)上的吸附對(duì)太陽能制氫性能的作用。
從功能角度來看，褐藻酸鈉的加入增加了光催化劑的活性和保水能力，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)制氫的過程。從操作角度來看，藻酸鹽的存在提高了光催化劑的活性和保水能力，使其能夠不斷產(chǎn)生氫氣。
每一種球形珠狀藻酸鹽包封的光催化劑都具有微型氫氣發(fā)生器或光催化反應(yīng)器的功能。海藻酸鹽水凝膠也表現(xiàn)出優(yōu)異的可回收性和可重復(fù)使用性。它們的合成可重復(fù)性和線性可擴(kuò)展性得到了以下事實(shí)的證實(shí)：當(dāng)體積歸一化速率保持不變時(shí)，產(chǎn)生的氫氣總量隨著光催化劑包封珠粒的數(shù)量線性上升。
水合程度——包括預(yù)吸水和動(dòng)態(tài)吸水——強(qiáng)烈影響氫氣的產(chǎn)生速度。流動(dòng)反應(yīng)器用于以恒定速率生產(chǎn)氫氣；當(dāng)進(jìn)入的流量降至臨界值以下時(shí)，生產(chǎn)速率保持不變，這表明每個(gè)球形催化劑都起到了小型氫氣發(fā)生器的作用。
Kargupta教授在將實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的原型轉(zhuǎn)化為實(shí)際商業(yè)應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)豐富，其多學(xué)科團(tuán)隊(duì)擁有太陽能制氫、燃料電池電解質(zhì)膜/電極制造和碳固存方面的專業(yè)知識(shí)。該團(tuán)隊(duì)正試圖擴(kuò)大產(chǎn)生的氫氣的容量，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的便攜式燃料電池供電。
用于封裝光催化劑的主要化學(xué)物質(zhì)是藻酸鈉，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)和歐盟委員會(huì)認(rèn)為藻酸鈉是一種食品級(jí)材料（乳化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑和膠凝劑）。在未來兩年內(nèi)，基于藻酸鹽水凝膠的光催化劑和合適的光反應(yīng)器將與高密度儲(chǔ)能和燃料電池組裝在一起。計(jì)劃與行業(yè)合作伙伴合作，在工業(yè)規(guī)模上擴(kuò)大這種高性能光催化劑的規(guī)模。
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