2024年7月15日，江苏大学乔芬教授团队在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy上发表题为“Photoelectrocatalytic hydrogen production: Hydrogen production principle, performance optimization strategy, application and prospect”的最新综述文章。
在可持续能源技术的探索中，光电催化制氢技术以其独特的优势——利用太阳能分解水生成氢气和氧气，兼具环境保护与可持续发展的特性，成为了焦点。
尽管该技术具有广阔的应用前景，然而光电水分解效率低氢气产量有限，是制约其在实际应用中推广的关键因素。近日，江苏大学乔芬课题组的综述论文《光电催化制氢：原理、性能优化策略、应用与前景》在Nano Research Energy期刊上发表，为这一领域的研究提供了全面的理论支撑和实践指导。
图1.光电催化制氢核心流程示意图及提高制氢性能的优化策略。
该论文首先深入剖析了光电催化制氢技术的核心原理，即利用半导体材料的光电效应，将太阳能转化为化学能，从而驱动水分子分解为氢气和氧气。这一过程中，催化剂的性能至关重要，它们不仅决定了反应的速率和效率，还影响着产物的纯度和稳定性。论文详细探讨了多种催化剂材料，包括金属氧化物、硫化物、氮化物以及复合催化剂等，分析了它们的催化机理、活性位点以及稳定性等方面的特性。在反应机制与动力学方面，论文系统总结了光电催化制氢过程中的关键步骤，包括光吸收、电荷分离、电荷迁移以及表面催化反应等，这些步骤的协同作用决定了整个系统的光电转换效率和氢气生成速率。论文深入探讨了反应动力学参数，如活化能、反应级数以及速率常数等，为优化反应条件提供了理论依据。
针对光电催化制氢技术面临的低效率问题，本文提出了多种性能优化策略。一方面，通过开发新型催化剂和助催化剂，提高光吸收效率和电荷分离效率，从而增加反应活性位点的数量和活性。另一方面，通过优化反应条件，如调整溶液pH值、温度以及光照强度等，进一步改善反应动力学性能。
此外，本文还强调了光电极的设计与优化，通过构建微纳结构、引入异质结以及调控表面性质等手段，提高光电极的光捕获能力和电荷传输效率。在反应动力学研究方面，本文不仅关注了单一反应步骤的动力学特征，还深入探讨了多步骤反应之间的耦合关系以及多物理场（如电场、磁场、温度场等）对反应过程的影响。通过多物理场模拟与优化，为进一步提高光电催化制氢效率提供了新的思路和方法。
本文还关注了光电催化制氢技术的实际应用与未来前景。通过对现有研究成果的梳理和分析，论文指出了当前技术面临的挑战，如催化剂稳定性、成本效益比以及系统集成度等。同时，论文也展望了未来可能的突破方向，如新型催化剂材料的开发、反应体系的智能化控制以及与其他可再生能源技术的耦合应用等。这些展望不仅为科研人员提供了研究方向的指引，也为光电催化制氢技术的产业化应用提供了有益参考。随着全球对清洁能源需求的日益增长以及科技的不断进步，相信光电催化制氢技术将在未来能源体系中发挥越来越重要的作用。
作者介绍
第一作者/通讯作者：乔芬教授
通讯作者：江苏大学
相关论文信息：
论文原文在线发表于Nano Research Energy，点击“阅读原文”查看论文
论文标题：
Photoelectrocatalytic hydrogen production: Hydrogen production principle, performance optimization strategy, application and prospect
论文网址：
https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120132
DOI：10.26599/NRE.2024.9120132
论文引用：
Qiao F. Photoelectrocatalytic hydrogen production: Hydrogen production principle, performance optimization strategy, application and prospect. Nano Research Energy, 2024, https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120132
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Nano Research Energy 是Nano Research姊妹刊，(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年6月创刊，由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文，已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目，北京市2024年度支持高水平国际科技期刊建设——强刊提升项目。2025年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。
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