南京工业大学团队：高效收集光催化能量用于空气净化与发电 | Cell Press论文速递

研究背景

随着全球人口的持续增长和城市化进程的加快，室内空气污染问题日益严重，尤其是在封闭或通风不良的环境中。这种环境下空气质量的恶化对人类健康产生了显著的不利影响。室内空气污染与多种健康问题密切相关，例如呼吸系统疾病、过敏反应，长期暴露甚至可能导致癌症。此外，随着城市化进程的加快，越来越多的建筑和设施被封闭，进一步加剧了空气质量的下降。因此，改善室内空气质量已成为现代社会面临的重要挑战。

与此同时，能源短缺和环境污染等全球性问题也在加剧。化石燃料使用带来的能源消耗和温室气体排放已成为气候变化的主要推手。为应对这些挑战，开发能够同时解决空气污染和能源生产问题的技术已成为当务之急。这在城市环境中尤为重要，如何有效利用现有能源进行空气净化和发电，对于实现可持续发展至关重要。

光催化技术作为一种环保的空气净化解决方案，近年来得到了广泛应用。它通过利用光激活催化剂，分解空气中的有害气体（如挥发性有机化合物、氮氧化物等），从而有效净化空气。然而，传统的光催化系统通常依赖外部能源，且在过程中会产生大量废热。过量的热量不仅降低了系统的整体能源效率，还导致能量损失，使其难以持续运行。因此，如何将光催化与其他能源技术结合，在提高效率的同时减少能量损失，实现24小时连续的室内空气净化和发电，成为当前的研究难点。

探索如何整合不同的能源技术，构建一个高效且可持续的空气净化和能源生产系统，不仅能够提升光催化的性能，还能为解决全球能源危机和环境污染问题提供新思路。因此，研究高效且可持续的空气净化和能源生成技术，已成为环境科学与技术领域的重要课题。

核心内容

1. 光催化界面能量收集实现室内空气净化与24小时发电的原理

如图1所示，白天，光催化（PC）涂层吸收太阳辐射，驱动光催化反应净化室内空气并降解挥发性有机化合物（VOCs）。产生的热量传递至热电发电（TEG）和相变材料（PCM）模块，TEG利用温差发电。夜晚，PCM释放储存的热量，使TEG能够利用PCM与室外冷空气之间的温差继续发电。这一设计确保了系统的持续运行和高效能量利用，为低碳建筑中的空气净化和发电提供了可持续解决方案。

2. 可见光光催化剂C-TiO₂的合成与表征

通过扫描电子显微镜（SEM）和元素分布图谱对C-TiO₂光催化剂进行表征，结果显示其具有块状形态，碳和钛元素分布均匀。X射线衍射（XRD）显示其具有锐钛矿型TiO₂结构，X射线光电子能谱（XPS）证实了C-TiO₂的价态和化学键。紫外-可见-近红外漫反射光谱表明，C-TiO₂在整个太阳光谱范围内表现出优异的吸收性能，全光谱吸收率为0.90，可见光吸收率为0.96。C-TiO₂的带隙为1.77 eV，导带（CB）为-0.16 V。

在近红外光下，光催化剂表现出协同的光热光催化效应。甲醛单次通过率实验显示其高效性，全光谱下的单次通过率达到78.7%。全光谱、可见光和紫外光的活化能分别为29.4 kJ/mol、55.7 kJ/mol和75.3 kJ/mol，表明可见光下反应动力学增强。电化学分析表明，碳负载加速了载流子传输并减少了电子-空穴对的复合，从而提高了材料的光催化性能。

3. PC-TEG-PCM模拟环境中的实验测试

混合PC-TEG-PCM装置与参考装置在不同模拟太阳光强度下的开路电压（Voc）变化趋势相似（图3c）。TEG模块的Voc取决于热端和冷端的温差，太阳光强度越高，TEG两端的温差越高，Voc和热电功率密度也越高。光催化层表面温度在三种不同辐照强度下分别升至51°C、63°C和69°C，表明C-TiO₂材料具有优异的热吸收性能（图3b）。此外，最大Voc随太阳光强度增加而升高，分别达到0.10 V、0.18 V和0.25 V，最大功率密度在700 W/m²、900 W/m²和1000 W/m²的模拟太阳光强度下分别达到0.25 W/m²、0.75 W/m²和1.5 W/m²（图3c）。此外，甲醛单次通过率和洁净空气量随入口浓度增加而降低，但随太阳光强度增加而升高。在甲醛入口浓度为100 ppb、流速为15 L/min时，单次通过率达到72.5%，洁净空气量（CADR）值达到0.35 m³/h（图3d）。相变材料石蜡表现出优异的热储存能力，能够在较长时间内保持在相变温度（图3b）。

4. 室内空气净化与发电的户外示范

以一天实验为例，记录了实验期间的环境温度和太阳辐照强度（图5a）。系统在甲醛净化方面表现出色，在流速为15 L/min、浓度约为300 ppb时，单次通过率高达80%（图5e）。此外，光催化层温度白天可显著升至75°C，最大温差可达36°C（图5b）。这一显著温差不仅提高了光催化效率，还为TEG模块提供了充足的热量，使其开路电压高达3.38 V。TEG模块的热端和冷端在晚上8点左右反转，保持3-5°C的温差，使TEG模块在夜间能够产生高达1.1 V的开路电压（图5c），持续发电约11小时，最大功率密度可达2.5 W/m²（图5d）。通过分析屋顶的能量流动过程（图5f），可以清晰地观察到光催化界面能够回收71.5%的太阳能，显示出高效的热能和电能利用率。连续三天的实验结果显示，集成PC-TEG-PCM装置的建筑屋顶能够持续输出电压（约3 V）并净化室内甲醛（单次通过率约60%）（图5g和图5h）。这些实验结果表明，由于C-TiO₂的光催化吸热和PCM的储热能力协同作用，集成PC-TEG-PCM装置的建筑屋顶表现出优异的净化和热电性能。

5. PC-TEG-PCM混合系统在中国的区域性能与经济可行性

最后，通过计算模型预测了混合系统在中国主要城市的应用前景。基于朝南屋顶，计算了不同城市的年洁净空气量和发电能力，并比较了中国34个省会城市的年空气净化和发电性能。结果显示，由于低纬度和年辐射较高，中国西南和南部沿海地区的洁净空气量和发电能力更高，系统能够储存更多热量。这一分析表明，混合系统在低纬度、高辐射地区表现最佳，为未来系统部署提供了有价值的参考。在这些地区，系统的高效性不仅提升了空气净化效果，还支持了可持续发展。此外，还分析了四个典型城市（南京、北京、广州和南宁）的应用性能，以研究气候影响。经济分析显示，投资回收期约为5.4年。

论文总结

本文提出了一种高效太阳能光催化界面能量收集策略，通过光催化氧化、热电发电以及相变材料的吸热/放热功能的协同作用，实现了室内空气净化与24小时连续发电。白天，C-TiO₂光催化剂能够有效分解甲醛，并将阳光转化为热能，提升热电发电模块热端的温度。这些热量被相变材料储存，并在夜间释放，进一步提高热端温度。与此同时，环境温度的冷却作用降低了冷端温度，从而提高了发电效率。该系统通过白天吸收光能、夜间释放热能的方式，确保了24小时连续发电和甲醛去除。

研究成果发表于在Cell Press旗下Nexus期刊，