海水能源利用丨太原科技大学和德国拜罗伊特大学AM论文丨阳光与海水驱动的能源转化:基于光催化过氧化氢的绿色燃料载体研究

    过氧化氢（H₂O₂）是一种新兴的绿色能源载体和多功能氧化剂，但其生产仍严重依赖高能耗、高废弃物排放的蒽醌法。相比之下，光催化技术提供了一条可持续的制备路径，可利用氧气（O₂）和水（H₂O）作为原料。在这方面，由于海水是地球上最丰富的水资源，利用海水生产过氧化氢将具有巨大的潜力。然而，海水复杂的组成和高盐度对光催化过程构成了显著挑战，例如催化剂失活以及对反应路径的干扰。本文综述了直接从海水中光催化合成过氧化氢的最新研究进展。我们首先介绍了光催化反应的基本原理以及海水各组分与光催化剂之间的相互作用。随后，根据不同光催化剂类型，讨论了其研究进展、优势及在合成过氧化氢中的局限性。最后，指出了当前的技术瓶颈并展望了未来的研究方向。综上所述，本文将为直接从海水中制备过氧化氢提供全面的认识。2025年3月6日，该研究成果以《Turning Sunlight and Seawater Into Energy: Photocatalytic Hydrogen Peroxide as a Green Fuel Carrier》（“阳光与海水驱动的能源转化：基于光催化过氧化氢的绿色燃料载体研究”）为题，发表于国际权威期刊（《Advanced Materials》）。

    论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.72660

    截至目前，已有大量研究从不同角度对光催化产H₂O₂进行了总结与评价。例如，这些研究涵盖了特定材料的贡献，如金属氧化物、无金属材料、异质结、二维材料、共价有机框架（COFs）和金属有机框架（MOFs）。此外，近期还研究了反应路径和反应体系[38, 39]。然而，目前尚无专门聚焦于利用光催化方法直接从海水中制备H₂O₂的综述文章。显然，海水是太阳能驱动产H₂O₂的一个极具前景的原料。因此，本综述系统总结了利用海水光催化产H₂O₂的最新研究进展。我们对催化剂设计、反应机理、体系优化进行了批判性分析，探讨了当前的技术瓶颈，并指明了推动该技术走向工业化的未来方向。

    过氧化氢（H₂O₂）凭借高能量密度、全水溶性与碳中性分解，正成为一种新兴的绿色能源载体。它不仅可用于燃料电池、机器人及火箭推进等供能场景，还可作为环保氧化剂用于漂白、污染治理、化学合成与医疗消毒。然而，传统蒽醌法生产H₂O₂存在高能耗与副产物污染问题。相比之下，光催化方法利用太阳能驱动氧气与水反应生成H₂O₂，条件温和且零碳排放，潜力巨大。特别地，海水覆盖地球71%表面积并占全球水资源的97%，为大规模制备H₂O₂提供了独特优势，但其复杂成分与高盐度也带来了催化剂失活和反应路径干扰等挑战。

图1 (a) H₂O₂应用示意图；(b) 蒽醌法现场合成H₂O₂；(c) 电催化过程；(d) 光催化过程；(e) 通过光催化生成H₂O₂作为绿色燃料载体，将太阳能连续转化为化学能，再进一步转化为动能/电能的示意图。

图2 (a) 海水中光催化合成H₂O₂的整体结构示意图；(b) 半导体关键性质与其光催化活性的关联；(c) 半导体上O₂还原与H₂O氧化生成H₂O₂的能级图；(d) 光催化ORR路径生成H₂O₂；(e) 光催化WOR路径生成H₂O₂；(f) 光催化双通道路径生成H₂O₂。

    光催化H₂O₂的三种主要反应路径如下：（1）氧还原反应（ORR）通过两电子过程生成H₂O₂，其中直接路径热力学更优，而间接路径动力学更具可行性；（2）水氧化反应（WOR）依赖光生空穴直接或间接氧化水生成H₂O₂，但其选择性易受竞争反应影响；（3）双通道路径（ORR+WOR）可同时利用光生电子与空穴，原子利用率达100%，被视为理想反应模式。

图4 (a) H₂O₂生成的关键速率与传输参数示意图，及可能的副反应路径，包括Cl⁻腐蚀、析氯反应（ClER）和原位次氯酸生成；(b) 溶解性有机物（DOM）及多种共存离子对H₂O₂生成选择性的影响；(c) 在存在副反应的情况下，用于选择性检测H₂O₂及减轻比色分析中次氯酸盐干扰的策略。

    近期研究显示，利用海水替代淡水进行光催化产H₂O₂日益受到关注（图5）。事实上，某些光催化剂已在此类复杂水相基质中展现出稳健的性能，并实现了较高的催化效率，甚至超越了在纯水体系中的表现。

图5 用于海水中光催化产H₂O₂的代表性光催化剂发展简要时间线。

    研究提出光催化中间水分解（PIWS）新概念，实现H₂与H₂O₂协同生成，避免了传统水分解中氢氧混合带来的安全及分离问题。同时，直接过氧化氢燃料电池（DHPFCs）展现了H₂O₂作为液态燃料的应用潜力，简化储运流程，其理论电压接近氢燃料电池。

图6 (a) 光催化H₂O₂生产总体示意图：在模拟一倍太阳（AM 1.5G）光照下，利用m-WO₃/FTO光阳极和Coᴵᴵ(Ch)/CP阴极在海水中的光催化产H₂O₂；(b) 通过Nafion膜连接至派热克斯玻璃阴极室的光电化学池；(c) H₂O₂燃料电池实物图：单室H₂O₂燃料电池，以Ni网阳极和FeᴵᴵI₃[CoᴵᴵI(CN)₆]₂/碳布阴极在含Sc(NO₃)₃·4H₂O（0.1 M）和NaCl（1.0 M）作为支持电解质的水相H₂O₂（0.3 M）溶液中运行。

    在海水体系中，复杂离子与有机物显著影响反应选择性与催化剂稳定性。氯离子可诱发副反应生成活性氯物种，加速H₂O₂分解；金属离子虽可通过类芬顿反应消耗产物，但在特定条件下亦可促进反应。通过界面工程、离子调控及催化剂设计等策略，研究者逐步提升了真实海水环境中的产率与稳定性。

图7 (a) 所提出的反应机理：海水中GaN纳米线上的Pd纳米颗粒实现高效空穴提取并缓解·OH积累，用于太阳能驱动的H₂与H₂O₂同步生产；(b) 在含或不含NaCl溶液条件下，Pd/GaN纳米线的瞬态光电流密度；(c) 各情景下的·OH吸附构型，相应的吸附能ΔGads以黄色高亮显示；

    此外，还展示了关键光催化剂的可视化对比，呈现了不同催化体系中关键性能指标（产率）的变化情况。这些关键参数包括：（1）光催化剂性质；（2）反应条件（如光源及光强、牺牲剂、溶液基质）；（3）性能指标（如H₂O₂产率、表观量子产率、太阳能到化学能转换效率）；（4）机理路径及海水特有相关问题。

图8 已报道的海水光催化产H₂O₂催化剂的比较。

    光催化海水产H₂O₂为绿色能源、环境治理及化工合成提供了新途径。未来研究需聚焦三大方向：（1）催化剂设计：发展抗腐蚀、抗污染材料，优化能带结构与界面电荷分离；（2）体系简化：减少预处理依赖，发展自适应催化剂与微环境调控策略；（3）应用耦合：与燃料电池、污染治理等下游技术集成，实现能源-环境双重收益。该综述为海水直接光催化产H₂O₂建立了系统理论框架，总结了实验进展，凸显了其在能源转型与可持续发展中的战略价值。

图9 面向实际应用的未来海水产H₂O₂研究及下游应用发展方向

    总体而言，海水光催化产H₂O₂的未来发展依赖于一条紧密互联的研究路线图。实现这一愿景需要产业界、学术界和研究机构之间的跨学科合作，以及国际标准化工作的推进。随着在上述各前沿领域的协同进步，阳光驱动的海水向H₂O₂的转化有望从实验室概念演变为可行的海洋能源技术，从而在海洋环境中实现可持续发电、环境修复与分布式化学品生产。

P.Ren,Y.Liu, I.Nisar, and S.Das, “Turning Sunlight and Seawater Into Energy: Photocatalytic Hydrogen Peroxide as a Green Fuel Carrier.” Advanced Materials38, no. 17 (2026): e72660. https://doi.org/10.1002/adma.72660