开发利用太阳能是解决传统化石能源短缺的一条有潜力的途径。利用太阳能的方法主要有三种：太阳能发电技术、太阳能光热技术和太阳能燃料技术。受自然界植物的启发，人工光合作用已发展成为生产清洁燃料的有效途径。用于碳基燃料生产的光催化二氧化碳和用于制氢的水分解是将太阳能转化为可再生燃料的两种主要技术。相比之下，氢（H2）以其高热值、绿色低碳等优点得到了广泛的研究。然而，由于材料、反应体系等各种因素的影响，太阳能光催化水分解制氢的效率仍然较低，体系对太阳光谱利用范围有限。
本项工作提出了利用热电器件回收光热催化分解水体系余热的策略，并构建了一种新型集成系统——太阳能-氢-电-储热系统（STHET）(如图1所示)。STHET主要由光热催化和热电发生器（TEG）两部分组成。光热催化体系是固-液相体系，具有一定的蓄热能力；TEG可以回收散射光，从而增强光热效应。无论是自然冷却还是强制冷却，STHET都可以在夜间连续运行，通过释放固液相系统中储存的热量产电。相比于单纯的光热催化体系，STHET自然冷却模式下，光热催化反应的温度更高，可达到更高的产氢量，同时可实现低品位余热产电；相应地，STHET强制冷却模式通过增强TEG冷端换热能力显著提高了其余热发电功率，且尽管光热催化分解水体系温度有所降低，但光能利用率的提高仍能维持其光热催化制氢性能。同时，STHET的换热方式为输出端氢能和电能需求的灵活选择提供了可行性。值得一提的是，该新型集成系统（STHET）首次提出并实现了利用柔性TEG回收利用光热催化制氢体系的低品位余热发电，以及利用反应体系自蓄热能力在暗态下持续发电。
图1 STHET系统原理示意图 (a)俯视图 (b)侧视图
进一步，对耦合体系的反应器构型、热电器件的类型以及储热能力进行了优化与改进，提出了利用相变材料存储光热催化分解水体系余热的策略，并构建了一种光热催化-热电-相变储热体系（PTC-TEG-PCM）。该耦合体系中PTC单元可实现高效的光热催化分解水/海水制氢，TEG模块可基于热电效应将PTC单元的低品位余热转化为电能，PCM单元可吸收并存储TEG冷端余热，并随后在夜间释热以驱动TEG持续发电。PCM单元的储热特性优化了余热的传递转化过程，相当于对余热进行二次转化利用，强化了耦合体系余热回收发电性能，使得太阳能总体能量转化效率相比于单一光热催化制氢体系提高了约5倍，且其储热能力可使其覆盖整晚运行，实现全天热电转化。
图2 PTC-TEG-PCM原理示意图
近日，上述研究成果分别以《Photothermal catalytic hydrogen production coupled with thermoelectric waste heat utilization and thermal energy storage for continuous power generation》和《Cascade utilization of full spectrum solar energy for achieving simultaneous hydrogen production and all-day thermoelectric conversion》为题，发表《纳米能源》（Nano Energy）和《能源化学(英文版)》（Journal of Energy Chemistry，入选期刊封面论文）上。西安交通大学绿色氢电全国重点实验室为第一单位和唯一通讯单位，郭烈锦教授和关祥久副研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心（52488201）支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109273
https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.05.007
