在可再生能源資源中，太陽能是可以滿足當前和未來人類能源需求最大的可利用資源，到達地球表面0.015%已足以支持人類社會的正常發展。因此，收集和轉換太陽能資源用于進一步的能源供應，是解決當前人類面臨的能源危機問題重要途徑之一。

光催化技術是通過光催化劑，利用光子能量將許多需要在苛刻條件下發生的化學反應，轉化為可在溫和環境下進行的先進技術。利用光催化技術分解水制氫，可以將低密度的太陽光能轉化為高密度的化學能，在解決能源短缺問題上具有深遠的應用場景。

美國能源部提出如果光催化分解水制氫的太陽能轉換氫能效率達到10%，太陽能制氫成本（包括生產和運輸）達到2~4美元/kg H2，這項技術就有可能走向大規模應用。

但太陽能-氫能轉化受到諸多動力學和熱力學因素限制，目前半導體材料實現的最高太陽能轉換氫能效率距離實際應用要求還有很大差距。解決太陽光分解水制氫技術在應用方面的瓶頸問題，關鍵在于提高光催化劑的分解水制氫活性。

光催化分解水的基本原理

光分解水制氫的主要過程示意圖

水是一種相對穩定的化合物。水分解生成氫氣和氧氣的過程，是一個吉布斯自由能增加的過程（▲G>0），也就是說從熱力學角度考慮，水分解反應是一個非自發反應，必須有外加能量才能進行。

光催化分解水制氫反應，就是利用光子的能量推動水分解反應的發生，然后轉化為化學能。具有高能量的遠紫外線（波長小于190nm）可以直接分解水，然而此類遠紫外線難以到達地球表面，所以普通太陽光照射難以實現水分解制氫。

光催化分解水制氫是利用一些半導體材料如TiO2的吸光特性，實現光解水反應的發生。半導體材料在受到光子的激發后，會產生具有較強還原能力的光生電子，可以將吸附在半導體表面的質子或水分子還原為氫氣，從而實現光催化分解水制氫。

催化劑分類

分解水制氫光催化劑

開發高效產氫光催化劑是光催化分解水制氫研究的核心，現總結高效產氫光催化劑的主要特征如下：

① 具有寬的太陽光響應范圍。

② 具有高的光生電子和空穴分離效率。

③ 具有合適的表面反應活性位。

④ 能夠有效抑制光解水反應的逆反應。

⑤ 具有較好的穩定性

金屬氧化物、硫化物半導體光催化材料

金屬氧化物與金屬硫化物廉價易得、效率高，且對可見光區有良好的吸收和響應，是目前應用最普遍的光催化材料。TiO2、CdS、Fe2O3等被廣泛應用于水解制氫的研究。

聯吡啶金屬配合物光催化材料：該類催化劑對可見光有較強響應，且氧化還原反應可逆，氧化態穩定性高，是性能優越的光敏材料。

無機層狀化合物半導體光催化材料：具有三維網狀結構的Nb06與Ta06型八面體單元化合物均具有光催化活性。以這種八面體單元為基礎可構建多種層狀結構光催化材料。以離子交換層狀鋸酸鹽M4Nb6017(M=K、Rb)為例，它就是由Nb06八面體單元經氧橋連接構成的二維層狀材料其獨特的結構是交替出現的層狀空間，由Nb06構成的層帶負電荷，出于電荷平衡的需要，帶正電荷的陽離子(K+、Na+、Li+)會出現在層與層之間。

在高濕度的空氣和水溶液光催化反應中，反應物水分子可以很容易地進入其層狀空間自發地發生反應。若在該層狀結構上嘗試適量負載N等金屬，其分解水的效率會有顯著提升。

提高光催化劑分解水制氫效率的方法

光吸收過程優化途徑

摻雜是調控半導體電子結構的有效途徑，因此被廣泛應用于調控半導體的光吸收。摻雜過渡金屬離子可以在光導體禁帶內引入雜質能級，從而實現對可見光的吸收。而陰離子摻雜可以調節半導體導帶位置，擴大材料光響應范圍，并避免在禁帶內引入深缺陷能級，引起光催化活性的降低。

去除部分組成原子形成結構缺陷同樣可以改變催化劑的吸光特性。與異質原子摻雜不同，形成結構缺陷在改變半導體催化劑的光吸收和電導率的同時，不影響載流子遷移率，可有效降低摻雜帶來的電子空穴復合。

載流子的分離和轉移過程的優化途徑

光照產生的電子-空穴對，需要遷移到半導體光催化劑表面才能進行分解水的氧化還原反應。然而半導體激發態的壽命很短，90%的光生載流子在10ns內發生復合，因此抑制載流子復合，實現載流子分離的最大化也是決定光催化效率的關鍵問題。

降低半導體的尺寸，縮短載流子的遷移距離，使更多的載流子參與化學反應，是抑制載流子復合，實現載流子分離的有效手段之一。

電導率低是限制光催化劑活性的一個重要因素。較低的電導率會導致載流子的聚集，從而使得復合概率提高。摻雜可以提高導電性改變材料的表面性能，一定程度上可以抑制載流子的體位復合。

p型半導體和n型半導體接觸后，如果半導體的費米能級不匹配，會發生電子轉移直至兩者的費米面相等，形成由n型半導體指向p型半導體的電場，可以促使光生載流子發生分離。

表面催化反應活性位點調控

光生載流子遷移到催化劑表面后，與催化劑表面吸附的水分子發生氧化還原反應。因此催化劑比表面積和催化劑表面催化反應活性位點數量，是影響光催化反應活性的重要因素。納米技術的快速發展，為高活性催化劑的設計與制備帶來了機遇。

結論與展望

光催化分解水制氫是新能源研究探索的熱點課題，具有廣闊的應用前景。但由于光催化分解水反應動力學與光催化劑的物理-化學性能、晶體結構等因素密切相關，通常需要復雜的技術手段來實現高活性光催化材料制備，也限制了此技術的快速發展。

目前，光催化分解水還有很多問題需要解決，如高活性半導體光催化劑的設計與合成，光生載流子分離的機制，光催化劑的穩定性，光催化分解水的反應機理，光催化反應效率提高等，需要加強基礎理論研究，促進這一領域發展。

此外，光催化分解水領域，目前尚未建立一個基于半導體的光催化分解水的標準測試體系，這意味著不能直接比較不同研究組開發的光催化劑性能。