Why photocatalysis is critical for decarbonization

Written by:

Information Scientist for ACS International

November 3, 2023

为了实现脱碳，各国应大规模开发可靠清洁的能源。从化石燃料过渡到清洁能源的关键之一是氢气，它可以长时间储存，代替天然气为涡轮机提供动力或用于“清洁燃烧”的燃料电池。国际能源机构 (IEA) 指出，要在2050年实现净零排放，氢气至少要占全球总能耗的10%。。

目前，人们正在开展氢气生产工作，但美国 95% 的氢气生产均通过燃烧化石燃料进行分离，而这是一个排放密集型的过程，对脱碳无益。因此，利用可再生能源分解水分子产生清洁氢气非常重要。利用太阳能将水分解为氢气和氧气，甚至被誉为化学界的“圣杯”反应之一。

然而，大规模进行该反应从而实现商业化仍面临巨大挑战。光催化所需的材料具有非常特殊的性质，科学家们已经花了几十年的时间来寻找合适的候选材料。最近我和我的CAS同事们探索了光催化的研究现状，CAS内容合集^TM中的研究表明，学术界在商业可行性方面正取得重大进展。

重要的工作仍有待完成，但这正是激动人心的时刻。

什么是光催化？

光催化是一种化学反应，通过照射分散在水介质中的半导体材料形成电子空穴对。 1972年，本多健一 (Kenichi Honda) 和藤岛昭 (Akira Fujishima) 首次证明，当光线照射到浸入水中的二氧化钛电极上时，便会发生该反应。反应产生的空穴可以从周围的水分子中吸收更多电子，从而将水分解为氧气和氢气。

该过程可零排放生成氢气，然后将氢气储存起来作为清洁燃料和化石燃料的替代品。光催化在其他类型环境修复中的应用——尤其是水净化和清除废水污染物等方面也颇具前景。光催化可以成功降解水中的微生物和非有机物染料以及化学物质，该过程可用于清除土壤中的杀虫剂——这是该技术的关键性发展，其意义远超在水或溶液中发生的反应。

无需复杂基础设施生产清洁氢气可以说是该过程最急迫的需求。光催化只需在水中添加粉末即可进行，比通过太阳能电解槽制氢的其他零排放方法要简单得多。因此，研究人员加快了寻找合适光催化剂的步伐，并确保该过程在商业上可行。

光催化技术最新研究成果

通过分析CAS内容合集^TM，我们发现在期刊和专利文献中最常引用的概念主要涉及光催化反应和光催化剂本身的材料性质。这很容易理解，因为与化石燃料相比，光催化剂必须使用可见光才具有经济竞争力。由于大部分阳光为可见光，所以我们需要将阳光作为一种经济实惠的方式来促进大规模反应的进行。具体来说，太阳能制氢 (STH) 必须达到6-10%或更高的效率。

光催化剂需要具备什么特性才能达到该效果？首先，它们的导带和价带必须处于特定位置 (图2)。这些能带的位置允许电子移动——这是半导体的特征，也是光催化反应的必要条件。导带在零伏电压条件下为负，价带在1.23伏或以上电压条件下为正。如果光催化剂的导带和价带不在这些位置，就没有足够的能量进行反应。

其次，带隙 (即导带和价带之间的区域) 必须能够吸收可见光。为了满足该标准，带隙应在1.23至3.1伏之间。二氧化钛是一种稳定的材料，其导带和价带也处于合适的位置，但它不能吸收可见光，因此用于大规模光催化并不经济实惠。过去10年内，研究人员开始转而使用其他光催化剂。

如图3所示，除二氧化钛外，研究最多的光催化剂包括氧化锌、氮化碳、金属有机框架 (MOF) 等：

这些光催化剂的共同特征是其带隙小于3.0伏，因此能够吸收可见光 (图4)。然而，虽然具有这些特征，但这些光催化剂仍存在缺点。因此，科学家们正在进一步探索提高反应效率的更多方案。

未来面临的挑战

我们分析发现，如果不将太阳光聚光，当前考虑的光催化剂均没有达到6%的太阳能制氢效率阈值 (图4)。

研究人员正试图将催化剂组合起来，以期获得合适的能带位置和带隙特征。目前最有前景的技术被称为阶梯型 (S型) 异质结，即把两种能带结构交错的光催化剂结合在一起。这些能带的位置在协调作用时可以驱动电子进行强大高效的光催化反应，这是向扩大该技术应用迈出的重要一步。ⁱ

然而，这绝非仅仅将两种催化剂组合起来那么简单。然而，这绝非仅仅将两种催化剂组合起来那么简单。例如，电子和空穴在进行所需反应之前可能会重新结合。研究人员正在探索共催化剂，以控制这种再结合过程。共催化剂可以沉积在光催化剂的表面，从而加快对所产生的电荷载流子的利用。人们目前正在研究多种共催化剂材料，由此表明尽管仍有更多的工作要做，但光催化技术的前景一片光明。