General heterostructure strategy of photothermal materials for scalable solar-heating hydrogen production without the consumption of artificial energy

材料科学 辐照 光热治疗 纳米技术 阳光 制氢 异质结 化学工程 太阳能 光电子学 化学 光学 物理 工程类 有机化学 生物 核物理学 生态学
作者
Yaguang Li,Xianhua Bai,Dachao Yuan,Fengyu Zhang,Bo Li,Xingyuan San,Baolai Liang,Shufang Wang,Jun Luo,Guangsheng Fu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:83
标识
DOI:10.1038/s41467-022-28364-y
摘要

Solar-heating catalysis has the potential to realize zero artificial energy consumption, which is restricted by the low ambient solar heating temperatures of photothermal materials. Here, we propose the concept of using heterostructures of black photothermal materials (such as Bi2Te3) and infrared insulating materials (Cu) to elevate solar heating temperatures. Consequently, the heterostructure of Bi2Te3 and Cu (Bi2Te3/Cu) increases the 1 sun-heating temperature of Bi2Te3 from 93 °C to 317 °C by achieving the synergy of 89% solar absorption and 5% infrared radiation. This strategy is applicable for various black photothermal materials to raise the 1 sun-heating temperatures of Ti2O3, Cu2Se, and Cu2S to 295 °C, 271 °C, and 248 °C, respectively. The Bi2Te3/Cu-based device is able to heat CuOx/ZnO/Al2O3 nanosheets to 305 °C under 1 sun irradiation, and this system shows a 1 sun-driven hydrogen production rate of 310 mmol g-1 h-1 from methanol and water, at least 6 times greater than that of all solar-driven systems to date, with 30.1% solar-to-hydrogen efficiency and 20-day operating stability. Furthermore, this system is enlarged to 6 m2 to generate 23.27 m3/day of hydrogen under outdoor sunlight irradiation in the spring, revealing its potential for industrial manufacture.
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