工業革命以來，人類向地球大氣排放了大量溫室氣體二氧化碳，環境問題日益突出（如氣候變暖、冰川融化、海平面上升等），嚴重制約了人類的發展。因此，科學家們致力于開發新的碳中性能源，如氫能，它被普遍認為是一種清潔、高效、安全、可持續的綠色能源。目前主要的制氫方法有：化石燃料制氫、電解水制氫、工業副產品制氫、新型制氫方法（生物質制氫、太陽能水制氫、熱化學裂解制水氫等），利用太陽能將水分解成氫，將太陽能轉化并儲存為化學能，因此被認為是解決全球能源問題的理想途徑之一。目前，最高效的太陽能水分解制氫方案是將太陽能電池與水電解系統相結合。據報道，太陽能到氫氣 (STH) 的能量轉換效率高達 30%。相比之下，雖然光催化分解水制氫的能量轉換效率要低很多（只有1%左右），但整體系統設計要簡單得多，成本更低，更容易規模化，產業化前景更好。然而，光催化分解水的產物是氫氣和氧氣的潮濕混合物。安全和氫氣回收仍然是大規模應用的巨大挑戰。

近日，團隊基于改進型摻鋁鈦酸鍶（SrTiO3:Al）光催化劑，將之前開發的1平方米面板反應器系統擴展為100平方米太陽能光催化分解水制氫系統，安全、規模化實現光催化水分解、氣體收集和分離。該系統不僅可以穩定運行數月，而且可以在商用聚酰亞胺膜的作用下從加濕的混合氣體中回收氫氣，最高 STH 效率為 0.76%。值得一提的是，該系統針對安全性和耐用性進行了優化，即使在有意點燃和回收氫氣時也能保持完整。

首先，作者使用光催化劑片層的面板反應器進行光催化水裂解，以探索太陽能制氫的規模化和氣體處理技術。如圖1所示，該100 m2規模的光催化太陽能制氫系統是由1600 個反應器單元排列而成，每個單元的受光面積為 625 cm2，紫外線透明玻璃與光催化劑片層之間的間隙為 0.1 mm（圖1a-b），以最大限度地減少水載荷并防止產物氫氧氣體的積聚和燃燒發生。需要指出的是，該系統中氣體產物輸送和反應物水輸送分別使用內徑為 8.6 mm 和 4.0 mm的聚氨酯管。

接下來，作者通過兩種方式制備了光催化劑片層（即在透明玻璃板上手工制備和在磨砂玻璃板上程序噴涂）。前者于2019年8月安裝，使用至2020年7月，之后改用后者，其他系統組件不變。如圖2所示，顆粒催化劑層覆蓋了玻璃板的整個表面，厚度為4μm至10μm。光催化劑片層含有數百納米的改性SrTiO3:Al粒子，由二氧化硅納米粒子固定，同時在粒子之間的間隙中形成介孔通道（圖2c）。

在構建大型面板反應器陣列之前，作者使用了一個小型面板反應器并將其暴露在模擬標準陽光下（AM 1.5G，1 kW m-2）進行室內加速測試。經過幾天的活化期，作者發現在透明玻璃上制作的小型光催化劑片層（5 cm×5 cm）可以將蒸餾水分解成氫氣和氧氣，STH效率為0.48%（圖3a），STH隨著時間的推移，效率逐漸降低（在 280 小時內低于 0.40%）。相比之下，在磨砂玻璃上制造的光催化劑片更活躍，更耐用。活化后的 STH 效率達到 0.51%，并在 1600 小時內保持在 0.40% 以上（圖 3b）。

試驗光觸面板反應器陣列由三個模塊組成，總光接收面積為9 m2，暴露在輻照強度為0.88 kW m-2的自然光下能以568 mL min-1的速率產生濕潤的氫氧氣體，STH效率可達0.76%。作者還使用磨砂玻璃上制備的光催化劑片層構建了100 m2光催化水裂解反應器陣列，并對該過程的太陽光強度、氫氧氣體生產量、每日 STH 效率以及太陽輻照中紫外線比例等數據進行了連續的記錄，發現氣體生產速率在2020年9月22日的上午11:00-11:30（室外溫度為34 ℃）達到峰值（3.6-3.7 L min-1）（氣體收集如下圖所示）。然而，該系統在自然陽光下STH效率會隨著時間的推移逐漸降低，考慮光催化劑片層的耐用性，這種效率降低還可能與天氣因素有關（從9月到12月）

由于膜分離裝置和隔膜泵處理氣態產物的能力超過了氣體析出的速率，因此該氣體處理裝置只需間歇性工作以分離氫氣（圖4a），其中富氫濾過氣體在常壓下由隔膜泵排出，而殘留的富氧氣體則從濾芯中排出。另外，圖4b和圖4c分別顯示了進料、濾過和殘留氣體的累積量以及太陽光照強度和水裂解面板反應器中氣體析出率的變化。需要指出的是，無論在不同天氣條件下濕潤氫氧氣體的生產速率如何，氣體分離膜裝置在整個現場測試過程中都沒有任何劣化的跡象。

此外，整個制氫系統已在室外條件下運行一年多，未發生自爆或其他故障。為了進行更嚴格的安全測試，筆者對太陽能制氫系統的各個部件進行了氫氣和氧氣的有意點火測試。當有意點燃連接的集氣管中的氣體產物時，大部分光催化水分解反應器陣列（受光面積為70平方米，在陽光下運行）、管道、中空聚酰亞胺纖維膜分離器、氣體分離裝置幾乎無損且可以保持其功能，儲氣罐也可以通過輕微優化調整的故意點火測試。總之，這些結果表明，只要適當優化，該系統在大規模生產氫氣時是安全的。