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。国际能源署 (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%。
目前各国正在大力生产氢气，但美国95%的氢气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(CAS Content CollectionTM) 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。
图1：光催化分解水示意图
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。
光催化最新研究成果
通过分析CAS内容合集，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。
图2：近10年报道的主要光催化剂
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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：
图3：高速增长的光催化剂及其带隙值
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，科学家们正探索更多材料来提高反应效率。
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)。
图4：使用不同催化剂的最高太阳能制氢效率
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。这些能带结合后可以促使电子进行高效有力的光催化反应——这是拓展该技术应用范围的重大举措。
然而，这绝非仅仅将两种催化剂组合起来那么简单。一旦将材料组合在一起，就可能会有其他意想不到的结果。例如，电子和空穴会在发生预期反应之前重组。研究人员正在探索助催化剂来控制该重组流程。助催化剂可以沉积在光催化剂表面，加速利用所生成的电荷载流子。虽然还有许多未尽事宜，但学术界正在研究若干种助催化剂材料，光催化的前景是光明的。
让以氢为燃料的未来成为现实
零排放将水分子分解为氢气和氧气不是一项简单的任务——科学家们已经为此研究了几十年。在该过程具有足够的成本效益，从而用清洁氢取代化石燃料之前，仍然是任重而道远。
虽然我们面临着艰巨的挑战，但没有理由认为这些挑战不可克服。最近对CAS内容合集的分析表明，光催化剂的创新性研究正不断增多。随着S型催化剂和助催化剂的应用越来越多，太阳能制氢的效率和该技术的商业化能力也将取得突破性进展。
随着材料科学的持续探索和改进，各国可以履行大规模制氢的承诺，实现未来的脱碳目标。
