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Laser direct overall water splitting for H 2 and H 2 O 2 production

分解水 激光器 制氢 过氧化氢 生产(经济) 材料科学 分析化学(期刊) 化学 纳米技术 物理 光催化 光学 环境化学 有机化学 催化作用 经济 宏观经济学
作者
Bo Yan,Qunfang Gu,Weiwei Cao,Biao Cai,Yinwu Li,Zhiping Zeng,Pu Liu,Zhuofeng Ke,Sheng Meng,Gang Ouyang,Guowei Yang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (9): e2319286121-e2319286121 被引量:24
标识
DOI:10.1073/pnas.2319286121
摘要

Hydrogen (H 2 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) play crucial roles as energy carriers and raw materials for industrial production. However, the current techniques for H 2 and H 2 O 2 production rely on complex catalysts and involve multiple intermediate steps. In this study, we present a straightforward, environmentally friendly, and highly efficient laser-induced conversion method for overall water splitting to simultaneously generate H 2 and H 2 O 2 at ambient conditions without any catalysts. The laser direct overall water splitting approach achieves an impressive light-to-hydrogen energy conversion efficiency of 2.1%, with H 2 production rates of 2.2 mmol/h and H 2 O 2 production rates of 65 µM/h in a limited reaction area (1 mm 2 ) within a short real reaction time (0.36 ms/h). Furthermore, we elucidate the underlying physics and chemistry behind the laser-induced water splitting to produce H 2 and H 2 O 2 . The laser-induced cavitation bubbles create an optimal microenvironment for water-splitting reactions because of the transient high temperatures (10 4 K) surpassing the chemical barrier required. Additionally, their rapid cooling rate (10 10 K/s) hinders reverse reactions and facilitates H 2 O 2 retention. Finally, upon bubble collapse, H 2 is released while H 2 O 2 remains dissolved in the water. Moreover, a preliminary amplification experiment demonstrates the potential industrial applications of this laser chemistry. These findings highlight that laser-based production of H 2 and H 2 O 2 from water holds promise as a straightforward, environmentally friendly, and efficient approach on an industrial scale beyond conventional chemical catalysis.
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