IF:86.2！光催化，Nature Reviews Materials！

米测MeLab

2025-07-24

研究背景

太阳能是地球上最丰富的可再生能源，其辐射能量远远超过当前全球能源消耗总量，因其在解决能源和环境问题中的潜力而成为研究热点。然而，太阳能的分布与能源需求区域存在较大空间差异，同时电能的长期储存和远距离输送仍面临重大挑战。

因此，将太阳能高效转化为便于储存和运输的化学燃料，尤其是绿色氢气，成为实现可持续能源体系的重要方向。光催化水分解作为一种利用阳光直接驱动水分解制氢的技术，因其系统结构简单、易于大规模分布及低成本潜力，受到广泛关注。

然而，当前光催化水分解技术尚存在转换效率低、光催化剂稳定性不足、大规模制备和应用困难、氢气分离与纯化工艺不完善以及社会接受度有限等诸多挑战，严重制约了其实际应用和商业化进程。

有鉴于此，东京大学Kazunari Domen教授团队在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“Materials and systems for large-scale photocatalytic water splitting”的最新论文。科学家综述了光催化水分解制氢领域的材料、系统及工艺的发展现状，重点讨论了光催化剂的性能提升、面板式反应器设计、气体分离技术以及安全性和社会接受度等关键问题。研究表明，虽然光催化材料的光响应范围、量子效率和耐久性均有显著进步，但当前系统的太阳能转氢效率仍低于光伏辅助电解技术的水平，且技术成熟度较低。为实现绿色氢气的大规模经济制备，亟需加强跨学科协作，加快研发创新与产业示范，推动该技术从实验室走向实际应用，助力全球能源结构转型与碳中和目标的实现。

文章亮点

（1）本文首次系统综述了光催化水分解制备太阳能绿色氢气的材料、系统及工艺的最新进展，阐明了该技术在低成本大规模制氢中的潜力与发展现状。

（2）综述主要讨论了以下几个方面及其研究成果：

• 光催化材料的开发取得了显著进展，特别是在提高表观量子效率、扩展可见光响应范围及提升材料耐久性方面，推动了光催化水分解效率的提升。

• 不同类型的太阳能制氢技术，包括光伏辅助水电解、光电化学水分解和光催化水分解进行了比较，指出光催化系统结构简单、适合大面积低成本应用，但当前效率仍较低，约为1%左右，远低于光伏辅助电解系统。

• 反应系统和工艺的发展，如大面积光催化面板、氢气分离回收技术及其与化学合成的直接结合，展示了实现安全、规模化绿色氢气生产的可行性。

• 文章指出实现光催化制氢产业化仍面临多重挑战，包括光催化剂的规模化制备、系统工艺的效率优化、成本控制及氢气应用的安全标准和社会接受度。

• 强调了多方协作的重要性，呼吁产业界、政府和学术界共同推动该领域的技术研发和大规模示范，以加速绿色氢气技术的商业化落地。

图文解读

图1:通过光催化分解水生产绿色氢气的大规模实施所需技术发展。

图2:光催化分解水的能量图。

 图3:Al掺杂SrTiO₃光催化剂的共负载。

图4:各种光催化剂的AQY比较。

图5:用于Z-方案水分解的光催化剂片层。

图6:100-m2水分解光催化剂面板反应器。

图7:大规模水分解光催化剂面板反应器的气体分离性能。

总结展望

光催化水分解作为一种直接利用太阳能转换为化学能的技术，具备系统简单、低成本和大规模分布式应用的潜力，有望成为未来可持续能源的重要支撑。其次，尽管目前光催化剂在量子效率、可见光响应和耐久性方面取得了显著突破，但整体太阳能转氢效率仍较低，提示材料设计与机制研究仍需深入优化。再次，氢气的安全分离与回收技术，以及反应系统的规模化和工艺效率提升，是实现实际应用的关键环节。最后，光伏辅助电解等其他太阳能制氢技术虽效率更高，但存在高成本和复杂性问题，显示出光催化技术在降低制氢成本方面的独特优势。由此可见，实现绿色氢气的经济可行大规模生产，需跨学科协同创新，整合材料科学、化学工程与系统设计，同时加强产业界、政府和学术界的合作，共同推动光催化水分解技术的产业化和社会接受度。这些科学启示为未来太阳能制氢研究指明了方向，助力实现清洁能源转型。

原文详情：

Hisatomi, T., Yamada, T., Nishiyama, H. et al. Materials and systems for large-scale photocatalytic water splitting. Nat Rev Mater (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41578-025-00823-0