为了实现脱碳，我们必须大规模开发可靠的清洁能源。氢能将成为摆脱化石燃料的关键，它不仅可以长期储存，还能替代天然气驱动涡轮机，或用于清洁燃烧的燃料电池。国际能源署（IEA）指出，为在2050年实现净零排放，全球氢能需满足至少10%的能源消费总量。
Hydrogen production is currently taking place, but 95% of U.S. hydrogen production is via burning fossil fuels to isolate it — an emission-intensive process that does not contribute to decarbonization. This is why clean hydrogen production from splitting water molecules with renewable energy sources is important. Using solar energy to split water into its hydrogen and oxygen components has even been called one of the “holy grails” of chemistry.
然而，将这一反应扩大到商业化规模仍是一项挑战。这要求所涉及的材料具备非常特殊的性能，科学家们几十年来一直在寻找合适的候选材料。我和CAS的同事近期探讨了光催化领域的研究现状，我们从CAS Content CollectionTM中得出的研究结果表明，科学界正在向商业化可行性迈出重要步伐。
尽管仍有重要工作要做，但现在投身于这项研究正当其时。
什么是光催化？
光催化是一种通过照射通常分散在水介质中的半导体材料，从而形成电子-空穴对的化学反应。该反应由本田健一（Kenichi Honda）和藤岛昭（Akira Fujishima）于1972年首次演示，当时他们将二氧化钛电极浸入水中并照射光线。反应产生的空穴可以从周围的水分子中吸引更多电子，从而将水分解为氧气和氢气。
该工艺可实现零排放制氢，所产氢气可储存并作为清洁燃料替代化石燃料。光催化在其他类型的环境修复方面也极具前景，特别是水净化和销毁废水污染物。它已成功降解了水中的微生物以及染料和化学品等非有机物质。该工艺或许还可用于修复土壤中的农药——这是该技术在水或溶液反应之外的一项关键进展。
在无需复杂基础设施的情况下生产清洁氢气，可以说是该工艺最紧迫的应用。光催化只需将粉末加入水中即可进行，这比另一种利用太阳能电解槽制氢的零排放方式简单得多。因此，研究人员已加快步伐，致力于寻找合适的光催化剂，以实现该工艺的商业化。
光催化的最新研究
通过分析CAS Content CollectionTM，我们发现期刊和专利文献中引用最多的概念涉及光催化反应及光催化剂本身的材料性能。这合乎情理，因为光催化剂必须利用可见光才能在经济上与化石燃料竞争。大部分阳光处于可见光波段，因此我们需要利用它作为驱动大规模反应的经济途径。具体而言，太阳能制氢（STH）效率必须达到至少6-10%或更高。
光催化剂需要具备哪些性能才能实现这一目标？首先，它们的导带和价带必须处于特定位置（图2）。这些能带的位置决定了电子的移动——这是半导体的一种特性，也是光催化反应的必要组成部分。导带在零伏时必须为负值，价带在1.23伏或以上时应为正值。如果光催化剂的能带不在这些位置，反应将缺乏足够的能量。
其次，带隙（即导带与价带之间的能级差）必须能够吸收可见光。为满足这一条件，带隙应在 1.23 至 3.1 电子伏特之间。二氧化钛是一种能带位置适宜的稳定材料，但它无法吸收可见光，因此在大规模光催化应用中并不经济。过去十年间，研究人员已将目光转向其他光催化剂。
如图 3 所示，除二氧化钛外，研究最广泛的光催化剂还包括氧化锌、氮化碳、金属有机框架（MOF）等：
这些光催化剂的共同特性在于其带隙低于 3.0 电子伏特，因此能够吸收可见光（图 4）。尽管具备这些特性，但目前所研究的光催化剂仍存在不足。因此，科学家们正在探索更多方案以提高反应效率。
未来挑战
正如我们的分析所示，除使用聚光太阳能外，目前所考量的光催化剂尚未达到 6% 的太阳能制氢（STH）效率阈值（图 4）。
研究人员正尝试通过组合催化剂来获得理想的能带位置和带隙特性。目前最具前景的技术被称为阶梯型（S-scheme）异质结，即将两种具有交错能带结构的催化剂结合使用。这些能带在协同工作时的位置能够驱动电子稳健且高效地进行光催化反应，这是推动该技术应用的重要一步。i
然而，组合两种催化剂并非易事。材料结合后可能会产生意想不到的结果。例如，电子和空穴可能会在进行预期反应前发生复合。研究人员正在探索利用助催化剂来控制这一复合过程。助催化剂可沉积在光催化剂表面，从而加速所产生电荷载流子的利用。目前多种助催化剂材料正处于研究阶段，这表明尽管仍有大量工作要做，但光催化技术的前景依然广阔。
让氢能未来成为现实
在不产生排放的情况下将水分子分解为氢气和氧气绝非易事，科学家们已为此努力了数十年。在实现成本效益以至于能够用清洁氢能替代化石燃料之前，仍有相当大的进展空间。
尽管挑战艰巨，但没有理由认为它们无法克服。近期对 CAS Content CollectionTM 的分析证明，关于光催化剂的创新研究正日益增长。随着 S-scheme 构型和助催化剂使用等技术的进步，STH 效率的突破以及该技术的商业化能力也将随之提升。
随着持续的实验和材料科学的进步，世界终将实现大规模氢能生产的承诺，并将脱碳未来变为现实。
