重磅！新年首篇催化Nature！

盼望着，盼望着，2023年首期《Nature》终于更新了哦。万万没想到，首期Nature就上了催化相关的文章，但并不是近年大热的电催化，而是历时已久的光催化……而且是，光催化制氢，古老而又年轻的课题……

从阳光和水这两种地球上最丰富的自然资源中生产氢燃料，是实现碳中和最有希望的途径之一。目前，一些太阳能制氢方法，例如：光电化学水分解，通常需要腐蚀性电解质，限制了其性能稳定性和环境可持续性。另外，清洁的氢，可以直接从阳光和水中，通过光催化水分解产生。然而，光催化水分解的太阳能制氢(STH)效率，一直很低。

在此，来自美国密歇根大学的米泽田等研究者开发了一种策略，使用纯水、聚光太阳能和氮化铟镓光催化剂，实现了高达9.2%效率的太阳能制氢。相关论文以题为“Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting”于2023年01月04日发表在Nature上。

无偏差的无辅助光催化整体水分解(OWS)，以2:1的化学计量比分解成氢(H₂)和氧(O₂)是地球上长期清洁、可再生和可持续的燃料生产所需要的。与广泛研究的光电化学水裂解相比，光催化OWS不需要使用导电电解质，例如，强酸性或强碱性溶液。相反，淡水或海水可以很容易地通过光催化OWS分解成H₂和O₂，而不需要任何外部偏压或电路，这可以显著降低系统成本，减轻光催化剂腐蚀、稳定性和安全相关问题。

然而，光催化OWS的主要挑战直接与常见光催化剂材料的可见光响应范围窄、光生电子空穴复合严重、表面催化过电位高以及产生的氢和氧的不良重组有关，导致大多数报道的光催化系统的太阳能-氢(STH)效率有限(低于约3%)。光催化剂的光响应范围直接决定了其理论最大运输效率。

尽管在紫外光(350-360 nm)照明下，铝掺杂钛酸锶光催化OWS的外部量子效率达到96%，但自然太阳光谱中紫外光(300-400 nm)的总含量不到3%。近40%的太阳光位于可见光谱(400-700 nm)，理论上可以使光催化OWS的STH效率达到24%。然而，目前报道的可见光响应催化剂，一般限于400-485 nm，能量转换效率有限。太阳光谱中除紫外线和可见光外，红外光的含量可达50%。

然而，红外光不能直接光激发催化剂产生足够能量的电子和空穴来驱动OWS，这限制了光催化OWS中STH效率的最大化。因此，一种有效的策略，可以潜在地利用全太阳光谱进行光催化OWS，有望大大提高STH效率。

近年来，氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)纳米线(NW)光催化剂，已在商用硅片上可控生长，显示出较宽的可见光响应范围(400-700 nm)和适合于OWS的带边电位。在调整表面能带结构、内部电场和辅助催化剂等方面也取得了实质性进展。因此，InGaN/GaN NW光催化剂为实现高效光催化裂解水，提供了一个合适的平台。

在这里，研究者报道了光催化OWS在铑(Rh)/氧化铬(Cr₂O₃)/氧化钴(Co₃O₄)负载InGaN/GaN NWs上，可观察到的温度依赖性氢氧复合效应。在此基础上，研究者提出了一种高效的反应机制，并成功地证明了光催化OWS反应的STH效率约为9.2%，这是由于在最佳反应温度(约70℃)下，增强了正向析氢反应和抑制了氢氧复合反应。

此外，在该策略的指导下，在一个大型光催化OWS系统上实现了6.2%的STH效率，该系统在4 cm×4 cm的光催化剂晶片上具有约16,070 mW cm⁻²的高自然太阳光强度，表明了实验室基于InGaN/GaNg的太阳能制氢技术的实际应用的可行性。

以上策略的成功源于在最佳反应温度(约70摄氏度)下操作，促进氢-氧正向进化和抑制氢-氧反向重组的协同效应，这可以通过收集太阳光中先前浪费的红外光直接实现。

此外，这种依赖温度的策略也导致了从广泛使用的自来水和海水中获得约7%的STH效率，在自然太阳能容量为257瓦的大规模光催化水分解系统中获得6.2%的STH效率。该研究提供了一种利用自然太阳光和水高效生产氢燃料的实用方法，克服了太阳能制氢的效率瓶颈。

图1. 纳米结构表征

图2. 绩效评估和机制分析

图3. 实用化、规模化应用

Zhou, P., Navid, I.A., Ma, Y. et al. Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting. Nature 613, 66–70 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05399-1

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05399-1