什么是光催化制氢？

导读

1. 这项技术到底在做什么？

光催化水分解的目标非常明确：用太阳光直接驱动水发生化学分解，生成氢气（H₂）和氧气（O₂）。若以整体反应来写，就是：

其中，氢气是能量载体（可燃料电池发电、可化工合成），氧气是副产物。与“用电解水制氢”相比，光催化的理想愿景是省去光伏发电—电解水的多级装置，用更简化的“光—材料—水”体系直接得到化学能。

2. 关键里程碑

光催化水分解的学术源头通常追溯到藤岛昭与本多健一在1972年报道的“半导体电极光解水”现象（常被称为“Fujishima–Honda效应”），奠定了“半导体吸光→产生载流子→驱动氧化还原”的基本框架。

但如果把目光聚焦到近五年，这条线发生了一个非常重要的变化：研究重心从“证明某个新材料能产氢”逐步转向“在可信的评价体系下，把效率、稳定性与可规模化系统一起推到工程门槛附近”。 现代光催化水分解的核心问题，已不再是“能不能分解水”，而是“能否在可靠评价与工程约束下，以足够效率、足够寿命、足够低成本，把它做成可部署系统”。

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核心思想

开发光催化水分解的核心动力在于能量的转换与存储。太阳能虽然储量巨大，但具有间歇性、稀薄性和地域不平衡性。电能虽然清洁，但在大规模长时储能方面面临成本和能量密度的瓶颈。相比之下，氢能具有高能量密度（142 MJ/kg，约为汽油的3倍），且是重要的化工原料。通过光催化技术，我们可以将能量以化学键的形式储存在氢气中，实现“太阳能-化学能”的直接转化。这种方式相比传统的“光伏+电解水”体系，理论上具有更低的系统复杂性和成本潜力，特别适合大规模、分布式生产。

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基础原理

光催化水分解看似是“材料照光冒泡”，但真正决定它能否成立的，是一组非常刚性的物理化学约束：

(一) 半导体能带：导带/价带位置必须覆盖半反应

析氢（HER）：

析氧（OER）：

对半导体光催化剂而言，一般要求导带底（CBM）能提供足够还原能力以驱动HER，价带顶（VBM）能提供足够氧化能力以驱动OER。即：

(二) 光子能量与材料吸收边

单个光子能量：

材料的吸收边（粗略）：

材料的光吸收主要源于电子从价带跳跃到导带的过程，这需要消耗一定的能量，即带隙宽度Eg。

• 当光子能量E>Eg（波长λ <λ< pan> edge ）：光子能量足够大，能将电子激发跃迁，光被材料吸收。

• 当光子能量E g （波长λ>λ edge ）：光子能量不足以激发电子，光会直接穿透材料，材料对此波段呈现透明状态。

(三) 在近年的高水平工作中，评价体系越来越强调可比性与可重复性，常用指标包括：

1)表观量子效率 AQY：入射光子中有多少最终转化为目标产物对应的电子数

Ne-反应中真正用于生成目标产物的电子数（或电子摩尔数）

Nph-照射到体系上的入射光子数

2)太阳能制氢效率（STH）：在标准太阳光谱下，化学能输出/太阳能输入的比值：

Pin-入射光功率

ΔG-水分解反应吉布斯自由能，237kJ/mol

nH2-产生氢气的摩尔数

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光催化水分解的步骤

第一步：光吸收(Light Absorption)：

光吸收决定了半导体能捕获多少太阳能量。其核心物理量是禁带宽度(Eg)，决定了半导体能吸收的最高波长。

第二步：电荷分离与迁移(Charge Separation & Migration)：

电荷分离与迁移衡量光生电子和空穴在复合前到达表面的能力。其对应参数是表观量子效率(AQY)，排除了光吸收率的影响，直接反映了电荷从产生到输送至表面的存活率及利用效率。

第三步：表面氧化还原反应(Surface Redox Reactions)：

表面氧化还原反应是能量转化的终点，衡量最终产生了多少化学能。对应参数是太阳能制氢转化效率(STH)，综合了光吸收、电荷分离和表面催化反应的所有损耗。

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聚光多sunvs1 sun

时常会存在把“聚光条件下的水分解”直接叫成“光催化水分解”的情况，但在机理与评价上两者往往不是一回事。其区别在于：

1) 主导驱动力不同

1 sun光催化水分解主要靠光生电子/空穴提供氧化还原驱动力，核心在“吸光→载流子分离→界面反应→抑制复合/反向反应”。多sun（如 10–20 sun）下的光热催化水分解：聚光把功率密度放大C倍，I=C·I1 sun，更容易产生显著温升，反应速率往往主要遵循热催化动力学：

即：“升温驱动的热效应”成为主要贡献。

2) 工况与工程边界不同

多sun下的温度场、热损失（尤其辐射项）、材料耐温与反应器热管理会迅速成为关键；而 1 sun光催化更多受限于能带匹配、载流子寿命与界面催化/副反应控制。

3) 可比性不同

1 sun 光催化常用AQY、STH（AM1.5G）做主要指标；多 sun 光热体系若只报告“产氢速率随光强变大”，并不能直接等价为“光催化更强”，因为速率提升可能主要来自温升带来的阿伦尼乌斯加速。要公平对比需把实际光学输入功率、聚光/吸收损失、温度与散热纳入统一比较体系。

当然，聚光会同时提高“光子通量”与“温度”，两种效应可能叠加。聚光把入射强度提高，会同时带来光子通量变大，光生载流子产生潜力变强，以及由能量平衡决定的温升。因此在多sun条件下常见“光化学 + 热化学”并存。

所以当看到多sun下水分解/产氢显著增强的结果，正确的表述通常是：可能是光热催化主导的聚光驱动过程，而不应直接归类为 1 sun下的光催化整体水分解。最基本的澄清方式，是在同温度暗反应、滤光、真实表面测温等对照下区分热贡献与光生电荷贡献。

重要参考文献：

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