太阳能光催化分解水制氢是清洁能源领域的重要方向，但传统固-液-气三相系统存在光吸收效率低、热损失大、反应能垒高和传质缓慢等固有缺陷，特别是液相对光的反射和折射，以及产物脱附困难，严重制约了太阳能至氢能转换效率，并增加了实际应用成本。

光热转换技术通过将红外光转化为热能，有效扩展了太阳光谱响应范围并创造了蒸汽相反应环境。气-固界面反应解耦有利于光催化分解水系统的能量流动和质量传输，降低传质阻力并促进气相产物脱附。

因此，开发基于光热材料的高效太阳能蒸发器，将太阳能蒸发与光催化分解水耦合，成为提升制氢效率的有效策略。该研究通过设计浮动气-固双相系统，在气-固反应界面集成光热转换和光催化，协同解决了传统光催化分解水系统的瓶颈问题。

刘茂昌教授团队的创新性:1. 构建了浮动气-固双相光催化系统，突破传统三相系统传质限制，实现了气-固界面高效光催化分解水产氢。 2. 铜单原子锚定的Ti缺陷TiO₂光催化剂，显著提升载流子分离效率和电荷传输能力。 3. 碳化木作为光热转换基底，实现全光谱太阳能捕获和高效水蒸发，蒸发速率达1.08 kg m⁻² h⁻¹。 4. 气相反应环境降低反应能垒，氢气扩散速率比液相提升四个数量级，加速产物脱附。 5. 系统在海水等天然水源中表现出优异的稳定性和适应性，循环测试保持90%以上活性。

该研究开发了一种浮动气-固双相系统，通过在气-固反应界面集成光热转换和光催化分解水的协同策略解决这些瓶颈问题。碳化木（CW）作为太阳能蒸发器实现全光谱太阳能捕获和高效水输送，促进高效的液-气转换。将铜单原子锚定的Ti缺陷TiO₂（TO）光催化剂沉积在CW上，其中铜原子锚定显著增强了载流子分离效率。

图1 铜单原子修饰TiO₂催化剂的形貌结构表征及光催化性能分析

图2 浮动光热催化系统的设计构建与光热转换性能

总之，该研究开发了一种基于碳化木和锚定铜单原子的Ti缺陷型TiO₂的浮动光热催化系统，实现了高效光催化分解水产氢。气-固双相设计结合光热转换和光催化，克服了传统三相系统的固有局限性。铜单原子锚定显著增强了载流子分离并降低了反应能垒。聚光辐照产生的高温蒸汽环境不仅促进了蒸发，还降低了活化能并加速了氢气脱附。该系统在天然水源中表现出优异的性能和稳定性，为太阳能制氢的实际应用提供了可行途径。

研究成果以Breaking Liquid-Phase Barriers: Concentrated Photothermal Evaporation-Vapor Splitting at the Gas-Liquid Interface为题，在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）DOI: 10.1002/adfm.75503.发表。西安交通大学绿色氢电全国重点实验室作为唯一完成单位独立完成，刘茂昌教授为通讯作者。