
Citation: Rengui Li. Latest progress in hydrogen production from solar water splitting via photocatalysis, photoelectrochemical, and photovoltaic-photoelectrochemical solutions[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(1): 5-12. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62552-4

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径
利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2-3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.
总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.
English
Latest progress in hydrogen production from solar water splitting via photocatalysis, photoelectrochemical, and photovoltaic-photoelectrochemical solutions
-
-
[1] K. Alanne, A. Saari, Renew. Sust. Energy Rev., 2006, 10, 539-558.
-
[2] N. S. Lewis, Science, 2007, 315, 798-801.
-
[3] M. Asif, T. Muneer, Renew. Sust. Energy Rev., 2007, 11, 1388-1413.
-
[4] N. S. Lewis, D. G. Nocera, Proc. Nati. Acad. Sci., 2006, 103, 15729-15735.
-
[5] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, C. Sorrell, Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27, 991-1022.
-
[6] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, C. Sorrell, Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27, 19-26.
-
[7] M. Momirlan, T. N. Veziroglu, Int. J. Hydrogen Energy, 2005, 30, 795-802.
-
[8] R. W. Dorner, D. R. Hardy, F. W. Williams, H. D. Willauer, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 884-890.
-
[9] P. G. Jessop, T. Ikariya, R. Noyori, Chem. Rev., 1995, 95, 259-272.
-
[10] A. E. Ashley, A. L. Thompson, D. O'Hare, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 9839-9843.
-
[11] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.
-
[12] A. L. Linsebigler, G. Lu, J. T. Yates Jr, Chem. Rev., 1995, 95,735-758.
-
[13] X. Chen, S. S. Mao, Chem. Rev., 2007, 107, 2891-2959.
-
[14] X. Chen, S. Shen, L. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.
-
[15] J. H. Yang, D. E. Wang, H. X. Han, C. Li, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1900-1909.
-
[16] T. Hisatomi, J. Kubota, K. Domen, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 7520-7535.
-
[17] H. L. Wang, L. S. Zhang, Z. G. Chen, J. Q. Hu, S. J. Li, Z. H. Wang, J. S. Liu, X. C. Wang, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5234-5244.
-
[18] J. S. Jang, H. G. Kim, J. S. Lee, Catal. Today, 2012, 185, 270-277.
-
[19] J. Zhang, Q. Xu, Z. C. Feng, M. J. Li, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 1766-1769.
-
[20] X. Wang, Q. Xu, M. R. Li, S. Shen, X. L. Wang, Y. C. Wang, Z. C. Feng, J. Y. Shi, H. X. Han, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 13089-13092.
-
[21] R. G. Li, F. X. Zhang, D. E. Wang, J. X. Yang, M. R. Li, J. Zhu, X. Zhou, H. X. Han, C. Li, Nat. Commun., 2013, 4, 1432.
-
[22] R. G. Li, H. X. Han, F. X. Zhang, D. E. Wang, C. Li, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1369-1376.
-
[23] F. Gallucci, E. Fernandez, P. Corengia, M. van Sint Annaland, Chem. Eng. Sci., 2013, 92, 40-66.
-
[24] C. Feng, K. Khulbe, T. Matsuura, R. Farnood, A. Ismail, J. Membr. Sci. Res., 2015, 1, 49-72.
-
[25] N. Kosinov, J. Gascon, F. Kapteijn, E. J. M. Hensen, J. Membr. Sci., 2016, 499, 65-79.
-
[26] K. Sivula, F. Le Formal, M. Grätzel, ChemSusChem, 2011, 4, 432-449.
-
[27] O. Khaselev, J. A. Turner, Science, 1998, 280, 425-427.
-
[28] H. Gerischer, Top. Appl. Phys., 1979, 31, 115-172.
-
[29] L. C. Pop, V. Dracopoulos, P. Lianos, Appl. Surf. Sci., 2015, 333, 147-151.
-
[30] F. Yilmaz, M. T. Balta, R. Selbaş, Renew. Sust. Energy Rev., 2016, 56, 171-178.
-
[31] C. Acar, I. Dincer, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 7950-7959.
-
[32] X. Li, J. G. Yu, J. X. Low, Y. P. Fang, J. Xiao, X. B. Chen, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 2485-2534.
-
[33] H. Kato, K. Asakura, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3082-3089.
-
[34] K. Maeda, K. Teramura, D. Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Nature, 2006, 440, 295-295.
-
[35] K. Maeda, K. Teramura, K. Domen, J. Catal., 2008, 254, 198-204.
-
[36] Z. Zou, J. Ye, K. Sayama, H. Arakawa, Nature, 2001, 414, 625-627.
-
[37] C. Pan, T. Takata, M. Nakabayashi, T. Matsumoto, N. Shibata, Y. Ikuhara, K. Domen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2955-2959.
-
[38] T. F. Yeh, C. Y. Teng, S. J. Chen, H. Teng, Adv. Mater., 2014, 26, 3297-3303.
-
[39] M. G. Kibria, H. P. T. Nguyen, K. Cui, S. Zhao, D. Liu, H. Guo, M. L. Trudeau, S. Paradis, A. R. Hakima, Z. Mi, ACS Nano, 2013, 7, 7886-7893.
-
[40] Q. Wang, T. Hisatomi, Q. Jia, H. Tokudome, M. Zhong, C. Wang, Z. Pan, T. Takata, M. Nakabayashi, N. Shibata, Y. Li, I. D. Sharp, A. Kudo, T. Yamada, K. Domen. Nat. Mater., 2016, 15, 611-615.
-
[41] B. A. Pinaud, J. D. Benck, L. C. Seitz, A. J. Forman, Z. Chen, T. G. Deutsch, B. D. James, K. N. Baum, G. N. Baum, S. Ardo, H. Wang, E. Miller, T. F. Jaramillo, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1983-2002.
-
[42] D. M. Fabian, S. Hu, N. Singh, F. A. Houle, T. Hisatomi, K. Domen, F. E. Osterloh, S. Ardo, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2825-2850.
-
[43] K. Maeda, ACS Catal., 2013, 3, 1486-1503.
-
[44] K. Sayama, K. Mukasa, R. Abe, Y. Abe, H. Arakawa, J. Photochem. Photobio. A, 2002, 148, 71-77.
-
[45] A. Kudo, Y. Miseki, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 253-278.
-
[46] Y. Sasaki, H. Kato, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 5441-5449.
-
[47] S. Chen, Y. Qi, T. Hisatomi, Q. Ding, T. Asai, Z. Li, S. S. K. Ma, F. Zhang, K. Domen, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 8498-8501.
-
[48] K. Maeda, M. Higashi, D. Lu, R. Abe, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 5858-5868.
-
[49] T. W. Kim, K. S. Choi, Science, 2014, 343, 990-994.
-
[50] T. W. Kim, Y. Ping, G. A. Galli, K. S. Choi, Nat. Commun., 2015, 6, 8769.
-
[51] Y. B. Kuang, Q. X. Jia, H. Nishiyama, T. Yamada, A. Kudo, K. Domen, Adv. Energy Mater., 2016, 6, 8769.
-
[52] Y. B. Li, T. Takata, D. Cha, K. Takanabe, T. Minegishi, J. Kubota, K. Domen, Adv. Mater., 2013, 25, 125-131.
-
[53] Y. B. Li, L. Zhang, A. T. Pardo, J. M. González-Calbet, Y. H. Ma, P. Oleynikov, O. Terasaki, S. Asahina, M. Shima, D. Cha, Nat. Commun., 2013, 4, 2566.
-
[54] G. Liu, J. Shi, F. Zhang, Z. Chen, J. Han, C. Ding, S. Chen, Z. Wang, H. Han, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7295-7299.
-
[55] G. J. Liu, P. Fu, L. Y. Zhou, P. L. Yan, C. M. Ding, J. Y. Shi, C. Li, Chem. Eur. J., 2015, 21, 9624-9628.
-
[56] G. J. Liu, S. Ye, P. L. Yan, F. Q. Xiong, P. Fu, Z. L. Wang, Z. Chen, J. Y. Shi, C. Li, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1327-1334.
-
[57] K. Ueda, T. Minegishi, J. Clune, M. Nakabayashi, T. Hisatomi, H. Nishiyama, M. Katayama, N. Shibata, J. Kubota, T. Yamada, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2227-2230.
-
[58] P. Arunachalam, A. Al-Mayouf, M. A. Ghanem, M. N. Shaddad, M. T. Weller, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 11644-11652.
-
[59] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nat. Mater,. 2011, 10, 456-461.
-
[60] J. S. Luo, L. Steier, M. K. Son, M. Schreier, M. T. Mayer, M. Grätzel, Nano Lett., 2016, 16, 1848-1857.
-
[61] S. A. Bonke, M. Wiechen, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2791-2796.
-
[62] Y. Pihosh, I. Turkevych, K. Mawatari, J. Uemura, Y. Kazoe, S. Kosar, K. Makita, T. Sugaya, T. Matsui, D. Fujita, M. Tasa, M. Kondo, K. Kitamori, Sci. Rep., 2015, 5, 11141.
-
[63] J. S. Luo, J. H. Im, M. T. Mayer, M. Schreier, M. K. Nazeeruddin, N. G. Park, S. D. Tilley, H. J. Fan, M. Grätzel, Science, 2014, 345, 1593-1596.
-
-

计量
- PDF下载量: 60
- 文章访问数: 1776
- HTML全文浏览量: 487