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在非均相光催化作用下以化学键形式储存太阳能是可持续能源转换的理想选择。尽管近年来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逆反应阻碍了它们的实际大规模应用。为了解决这些问题，我们设计了一种由多孔弹性体-水凝胶纳米复合材料构成的可浮式光催化平台。在空气-水界面处的纳米复合材料具有高效的光传输，易于供水和瞬时气体分离的特点。因此，即使没有强制对流，Pt/TiO2冷冻气凝胶也可以达到163 mmol h-1 m-2的高析氢速率。当在1平方米的面积上制造并加入经济上可行的单原子Cu/TiO2光催化剂时，纳米复合材料在自然光下每天产生79.2毫升的氢。此外，在海水和高浑浊水中的长期稳定制氢和聚对苯二甲酸乙二醇酯的光重整表明，纳米复合材料作为一种商业上可行的光催化系统的潜力。
图文简介
可浮性光催化纳米复合材料，a，纳米复合材料的原理图及其在光催化HER中的优势:高效的光传递(i)，易于气体分离(ii)，增强的表面张力(可浮性)(iii)，稳定的催化剂固定化(iv)，抑制反氧化(v)和易于的反应物供应(传质)(vi)。b，原理图(第1行)和光学图像(第2行)，Pt/TiO2低温气凝胶纳米复合材料;第三行，Cu-SA/TiO2 NP纳米复合材料)的制备工艺。将光催化剂嵌入HPU-PPG-NaCl凝胶(i)中。干燥膨胀后形成光催化层(ii)。添加二氧化硅气凝胶(iii)形成具有Janus结构的光催化层(iii)。通过在EtOH的帮助下将光催化层和支撑层集成(iv)制成双层体系。
纳米复合材料的材料设计与表征。a、漂浮在水面上的纳米复合材料的光学图像。b，原始Pt/TiO2密度(蓝色;Pt/TiO2低温气凝胶(黑色;n = 3)和Cu-SA/TiO2 NPs(绿色;n = 3)。c，弹性体-水凝胶纳米复合材料的扫描电镜图像。d、支撑层孔隙率(白色;N = 8)和光催化层(黑色;n = 8)。e，纳米复合材料的EDS横截面图(左)和横截面扫描电镜图(中)。Si质量比(右)是根据EDS数据(n > 4000)计算得到的。f、纳米复合材料各位置的接触角测量:光催化层的上表面(左)、光催化层的下表面(中)和支撑层的下表面(右)。g，支撑层平衡密度(白色;N = 4)，不含二氧化硅气凝胶的光催化层(灰色和青色;N = 4)和二氧化硅气凝胶光催化层(黑色和绿色;n = 3)。h, PAM复合材料的催化剂浸出率(左;n = 8)和HPU-PPG复合材料(右;n = 7)。i, PAM复合材料(上)和HPU-PPG复合材料(下)在水中溶胀14天前(左)和后(右)的光学图像。j,k, HPU-PPG复合材料(n = 5, n = 4) (j)和PAM复合材料(n = 3, n = 5) (k)在水中溶胀14天前后的弹性模量
纳米复合材料制氢的研究。
纳米复合材料的实际应用 a、纳米复合材料在实际环境中的应用示意图。b、海水中产氢的长期时间过程(如第0天、第7天、第14天)。c，下沉Pt/TiO2低温气凝胶(黑色方框)和漂浮纳米复合材料(绿色圆圈)在模拟浑浊海水的橙色(橙色线)和蓝色(蓝色线)染料溶液中产氢的时间过程。d、塑料光重整工艺示意图。e、PET瓶光学图像(附图;标尺，5厘米)，切割PET(左)和溶解PET在1m KOH溶液(右)。f、PET光转化过程中H2产率的长期时间过程(如第0天、第7天、第14天)。
Scale up of the nanocomposites
论文信息
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01385-4
通讯作者：首尔国立大学Dae-Hyeong Kim& Taeghwan Hyeon
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收录于合集 #水凝胶
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