【摘要】 本文系统介绍光催化水分解在半导体光催化剂上的机理与最新进展，包括光吸收材料、Z型异质结、人工光合作用系统，探讨其技术经济性与能源应用前景。

通过太阳能驱动光催化水分解制氢，被认为是解决可持续能源问题及环境修复的重要途径之一。近年来，随着绿色能源需求的提升，光催化水分解技术备受关注，研究人员在构建高效非均相光催化体系方面展开了广泛而深入的探索。Li等人系统综述了基于半导体的光催化剂在光催化全水分解中的基础研究与实际应用进展，涵盖光吸收材料、光生载流子分离、双助催化剂修饰以及表面催化反应等关键环节。本文还重点总结了颗粒光催化剂系统、Z型异质结系统以及自然-人工混合光合系统的最新成果，并对光催化分解水制氢的技术可行性与经济性进行了分析，最后对该技术在太阳能转化领域的发展前景作出展望。

氢能作为一种清洁能源，具备广泛的应用潜力，可应用于汽车动力、燃料电池、家用供暖以及航空燃料等多个领域。此外，将氢作为能源载体，通过二氧化碳加氢转化制备高附加值化学品，也是实现碳减排和资源化利用的重要路径。因此，发展高效、低成本的太阳能光催化制氢技术，对推动能源结构转型与实现可持续发展具有重要意义。

自1972年Fujishima和Honda首次报道利用TiO₂光阳极与铂阴极实现光辅助电解水分解以来，光催化水分解逐渐发展成为光化学与材料科学交叉的热点研究方向。其中，微粒光催化系统以粉末光催化剂分散于水中、在光照条件下原位产氢的方式，因其设备简单、成本较低且易于规模化而备受关注。自然界中光合作用系统通过光反应分解水，释放氧气与质子，并推动后续碳同化过程，完成能量储存与物质合成。光催化水分解可视为一种广义的“人工光合作用”，是实现太阳能向化学能直接转化的前沿方向，也被誉为化学领域的“圣杯”课题。

从热力学角度来看，水分解反应属于吸热反应，标准吉布斯自由能变（ΔG⁰）为237 kJ/mol。光催化水分解过程主要包括三个核心步骤：（1）光吸收激发产生电子-空穴对；（2）载流子分离与迁移至催化剂表面；（3）在还原和氧化助催化剂活性位点上发生催化反应，分别完成产氢和产氧过程。整个太阳能转化效率由光捕获效率、电荷分离效率与表面反应效率共同决定。

图1. 半导体基光催化剂上光催化水裂解机理。[1]

光催化的水分解性能可以通过考察在不牺牲任何试剂的情况下整体水分解的效率来评价。在整个水分解过程中，H2和O2以2:1的化学计量比同时生成。为了研究质子还原半反应或水氧化半反应的动力学，引入了牺牲试剂快速消耗光生空穴或电子，使相应的半反应不是速率决定步骤。半反应需要考虑的两个因素是：(1)定性地估计特定光催化剂的传导带或价带在热力学上是否足以进行质子还原或水氧化；(2)测定实际条件下质子还原和水氧化的动力学反应速率。

图2. 牺牲试剂存在下的光催化全水分解半反应方案。 [1]

目前，光催化水分解已在光吸收材料设计、电荷分离策略优化以及高效助催化剂开发等方面取得显著进展，为实现太阳能大规模制氢奠定了理论与实验基础。

 

参考文献：(1) Li, R. G.; Li, C. Photocatalytic Water Splitting on Semiconductor-Based Photocatalysts. In ADVANCES IN CATALYSIS, VOL 60, Song, C. Ed.; Vol. 60; 2017; pp 1-57.

 

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