用于清洁绿色制氢的食品级封装光催化剂材料

环境污染和负担得起的清洁能源是2015年联合国大会确定的两大可持续发展目标。各国都制定了到2050年脱碳和增加绿色氢能的使用以减少每年电力消耗负荷的目标。

产学研共同合作，提高绿氢产量，降低生产成本。2023年，我们注意到战争期间欧洲主要地区出现全球能源危机，导致液化天然气价格高涨和短缺，气候变化加剧。

通常，绿色氢是通过电解槽和光催化水分解产生的。绿氢的商业化生产存在一些障碍，例如生产成本高、光催化剂稳定性、催化剂性能和海水利用等。

光催化太阳能分解水为符合环保要求的低成本绿色氢气生产打开了新的机遇之窗。环境中太阳光充足，选择正确的高性能、长效、稳定的光催化剂可以提高绿氢的产量并降低其价格。

值得注意的是，所有可用于通过水分解制氢的光催化剂都是粉末状纳米粒子的形式，会导致金属损失和侵蚀，导致光催化活性降低并影响运营成本。此外，粉末状纳米颗粒光催化剂系统仅以批量模式运行，无法控制氢气生产率。

粉末状纳米粒子光催化剂含有半导体，可以渗入水体并损害生态金字塔。已提出金属有机框架来支撑合金的纳米颗粒，以防止反应过程中金属聚集并提高催化活性。

印度贾达夫布尔大学化学工程系纳米工程和可持续能源实验室 Kajari Kargupta 教授领导的团队现已开发出一种环保、可回收的 3D 有机藻酸盐水凝胶，封装在珠状光催化剂中。该研究发表在《国际氢能杂志》上。

这些类型的 3D 金属有机骨架水凝胶光催化剂可以提供稳定的连续氢气速率。通过食品级材料海藻酸钠封装，将半导体的毒性作用降至最低。

海藻酸钠是光催化剂封装微球的首选生物聚合物。它是由褐海藻提取物商业化生产的。随着时间的推移，由于金属离子在凝胶化过程中的固定化，几个研究小组已经形成了不同的金属-聚合物复合材料。

研究了在全波段太阳辐射下以间歇和连续模式运行的压力驱动流通系统，以使用具有高保水能力的新型有机藻酸盐水凝胶封装光催化剂的 3D 毫球来增强太阳能制氢。主要关注点是增强光催化剂活性位点上水分子的吸附对太阳能制氢性能的作用。

从功能角度来看，海藻酸钠的添加增加了光催化剂的活性和保水能力，从而实现了连续产氢的过程。从操作角度来看，海藻酸盐的存在增强了光催化剂的活性和保水能力，从而实现了不断产生氢气的过程。

每个球形珠状藻酸盐封装的光催化剂都充当微型氢气发生器或光催化反应器。海藻酸盐水凝胶还表现出出色的可回收性和再利用性。它们的合成重复性和线性可扩展性通过以下事实得到证实：产生的氢气总量随着光催化剂封装珠的数量线性增加，而体积归一化速率保持恒定。

水合程度(预吸附水和动态水吸附)强烈影响氢气产生的速率。采用连续反应器以恒定速率生产氢气;当进入流量低于临界值时，生产率保持恒定，这表明每个球形催化剂都充当小型氢气发生器。

Kargupta 教授在将实验室规模的原型转化为实际商业应用方面拥有丰富的经验，我们的多学科团队拥有太阳能制氢、燃料电池电解质膜/电极制造和碳封存方面的专业知识。该团队正在尝试扩大产生的氢气的容量，为偏远地区的便携式燃料电池提供动力。

用于封装光催化剂的主要化学物质是海藻酸钠，它被美国食品和药物管理局和欧盟委员会视为食品级材料(乳化剂、稳定剂、增稠剂和胶凝剂)。基于藻酸盐水凝胶的光催化剂与合适的光反应器将在未来两年内与高存储和燃料电池组装在一起。我们计划与行业合作伙伴合作，在工业规模上扩大这种高性能光催化剂的规模。