在短短一小时内，从太阳到达地球的能量比现在还要多人类用了一整年．数十亿年来，植物已经进化出有效的方法来利用这种丰富的资源——吸收光能并将其储存为糖，这是一种可以根据需要提取的化学能量供应。

但是，人类社会依赖化石燃料产生的能源，这种有限的资源在气候和全球地缘政治方面产生了可怕的后果。难道我们不能模仿光合作用，将光转化为绿色燃料吗?

自然界不能使用稀有材料，所以[植物]使用非常丰富的材料，比如锰，它们能够非常有效地催化这种反应

Jenny Zhang，剑桥大学

为艾伦吟游诗人而且玛丽·安妮·福克斯，这是化学的圣杯-利用太阳能生产清洁、可储存的燃料。他们想要找到利用光破坏水中化学键产生氢的方法。

巴德回忆说:“当时有很多人在这个领域工作……所以我们试图把集体的智慧结合起来，把在这个阶段所谓的成功需要什么，以及我们认为成功的可能性或概率放在一起。”“例如，我们说太阳能转化为化学能的效率应该是10%。这只是我们的第一反应，但从那以后它就被很多人使用了。除此之外，巴德和福克斯还提出，用于水分解装置的材料应该至少能稳定使用10年。

绿灯

在1972年,Kenichi本田他的学生彰Fujishima报道在日本东京大学进行的实验中，光线照射在浸泡在水中的二氧化钛电极上。被光激发的电子会留下正“空穴”，这些空穴可以从周围的水分子中吸收更多的电子。Honda和Fujishima表示，这种催化剂在光阳极上产生氧气，而在铂阴极上形成氢气。这是第一次利用光诱导细胞来分离水。

自那以后的几年里，美国、中国、欧洲和日本开展了大量研究，帮助提高了效率。这使我们逐渐接近可行的人工光合作用过程，但如果这些系统要在类似化石燃料工业的成本或规模上运行，还有很长的路要走。

在巴德和福克斯发表文章三年后，约翰·特纳而且奥斯卡Khaselev位于美国科罗拉多州的国家可再生能源实验室，开发了一种第一片“人造叶子”一种集成光伏设备，可以利用光作为唯一的能量输入来分解水。这实现了令人印象深刻的12.4%的制氢效率，但它依赖于昂贵的材料——关键部件是磷化镓铟半导体和铂电催化剂。

十年后，由Daniel Nocera在美国麻省理工学院报道一种水分解系统，其电极由钴、镍、钼和锌等更廉价、更丰富的材料制成。2011年，诺切拉的团队生产出了自己的产品无线、太阳能劈水装置这种低成本的电极被涂在硅基半导体上。诺塞拉与他创立的Sun Catalytix公司合作，扩大该系统的规模，计划将该技术商业化。然而，他很快就放弃了这个想法，意识到这项技术仍然不太可能竞争通过化石燃料的蒸汽重整生产更便宜的氢气。

稳定问题

另一个困扰太阳水分解系统的问题是它们的稳定性。这些设备中使用的许多材料在与水接触时会腐蚀，特别是在它们工作时产生的极端pH值下，化学家们仍在寻求补救措施。

耶鲁大学的研究人员解释说:“有一种双管齐下的方法:一种是发现新的半导体材料，另一种方法是尝试使用一种保护涂层或稳定方案，从根本上恢复所有这些不稳定的半导体材料。蜀胡他曾在美国能源部太阳能燃料中心人工光合作用联合中心(JCAP)工作。“很难说哪一种最终会胜出，但JCAP和许多其他研究小组最近在太阳能水分解方面的巨大努力都做到了，到目前为止，保护涂层方案胜出了。”

的当前效率记录是由一个由?领导的团队创建的系统所控制的托马斯Hannappel来自德国伊尔梅诺理工大学和加州理工学院的研究哈利阿特沃特他目前担任JCAP的主任。他们的设备包含了一层晶体二氧化钛，可以保护光电阴极免受腐蚀，同时还可以最大限度地减少光吸收和反射损失。该装置实现了19.3%的太阳能转化为氢气的效率，接近本设计的最大理论极限。

虽然这种特殊的设备只能稳定约20小时，但氧化涂层已经在其他地方用于保持光电极稳定超过1000小时，尽管Hu指出仍需要改进。他说:“要让它真正与工业相关，你需要成千上万个小时。”’我认为，到目前为止，这既不现实，也不可能实现。这就是挑战所在。”

分解问题

另一个障碍是制造大型面板设备的复杂性。另一种稍微不太成熟、可能更容易推广的技术是基于颗粒光催化剂的技术。这些纳米颗粒促进光吸收、电荷分离和催化作用。

胡说:“考虑到你可以让还原性反应和氧化性反应只发生在几纳米的距离上，这就给了你很大的自由来设计许多其他不同类型的光化学反应——不仅仅是水的分解，比如，可能是二氧化碳的还原，甚至是烷烃的部分氧化来制造精细的化学物质。”“此外，如果你和化学工程师谈论颗粒，他们马上就能理解，因为所有这些催化反应器——裂解器和炼油厂——他们一直在使用颗粒。所以化学工业知道如何处理这些，但对如何处理光电极知之甚少。”

夫妇Domen他在日本东京大学(University of Tokyo)的研究小组是微粒光催化领域的领军人物，40多年来一直在研究利用钛酸锶颗粒进行光催化裂解水的技术。“(1980年)钛酸锶的水分解活性太低，无法研究量子产量，”Domen说。

其中一个问题是在电子-空穴对与水反应之前阻止它们重新结合。Domen解释说，对光催化剂和助催化剂制备方式的仔细调整意味着，到2018年，整体水裂解的表观量子收率提高到69%，这意味着照亮催化剂的69%的光子可以用于制氢。

今年早些时候，Domen的团队报告了一种钛酸锶光催化剂，可以将光能转换为近乎完美的量子效率．多门解释说，这是通过结合不同小组多年来开发的技术而实现的。Domen说:“铝掺杂抑制了缺陷的形成和颗粒的生长，熔剂处理提高了结晶度，暴露了钛酸锶的{100}和{110}面。”有了这些不同的晶体面，研究小组可以选择性地在钛酸锶颗粒的不同侧面沉积析氢和析氧共催化剂。电子和空穴向这些位点的选择性迁移是消除复合的关键。

然而，Domen解释说，要提高整体太阳能转化为氢气的效率，还有很多工作要做。问题是钛酸锶光催化剂只利用了太阳光的紫外线部分，而紫外线部分占太阳能总能量的5%左右。尽管工程设计令人印象深刻，但当在模拟阳光下照射时，它的整体效率只有0.65%。为了生产经济可行的水分解系统，光催化剂需要使用光谱的其他部分。

Domen说:“开发在可见光区域显示类似高表观量子产量的光催化剂是至关重要的。”“我们正在开发一些有前景的可见光响应光催化材料，包括氧氮化物、氮化物和氧硫属化合物，它们有可能在可见光下分解水。”从钛酸锶光催化剂的成功中揭示的光催化剂设计将推进这种可见光活性光催化剂的发展。”

回归自然

近年来，一些研究人员不仅从大自然中寻找灵感，还积极地将生物系统融入到他们的水分解技术中。2012年，诺切拉与哈佛医学院合作帕梅拉银研究“仿生叶子”。2016年，他们演示了一个生物合成系统在这个过程中，诺塞拉的水分解催化剂产生氢气，然后为基因工程细菌提供养分。细菌将其与二氧化碳结合，制造出像丁醇这样的液体燃料，这种燃料比氢更安全，而且与现有的基础设施兼容。

另一些人则利用自然界中负责分解水的酶来开发光电化学电池。剑桥大学的一位电化学家说:“目前我们可以制造出不错的催化剂，但它们通常需要非常昂贵的材料。珍妮张．“然而，当你观察植物时，它们都充满了光系统II。自然界不能使用稀有材料，所以(植物)使用锰等非常丰富的材料，它们能够非常有效地催化这种反应。”

像张这样的研究人员设计了巧妙的方法，将光系统II沉积在电极上，以创造“半人造”水分解装置。的创纪录的太阳能制氢效率对于这些系统，目前是5.4%，尽管张指出这需要高度优化的条件。

尽管取得了所有这些进步，但今天的领先技术仍然基于传统的电解槽。周围占世界氢的4%已经通过电解产生，所以用廉价的太阳能发电似乎是一个有吸引力的选择。当今最先进的光伏电解装置都能实现超过30%的太阳能转化为氢气转换。然而，这些系统仍然存在一些问题，这意味着它们不太可能在价格和规模上与化石燃料行业竞争。

巴德认为，太阳能制氢技术并没有像他在20世纪90年代所预期的那样发展得那么快，并指出了使用氢作为燃料的缺点。但他仍然相信阳光是我们未来能源需求的关键。“最终，它将是太阳能，或者它将是一个完全不同的世界。我们不能用煤，因为它会产生非常糟糕的副作用，而且很快我们就会用完其他燃料。”他说，如果我现在要做一个预测，那就是把太阳能转化为电能，并使其越来越高效。

作者要感谢阿曼达·莫里斯，托马斯Mallouk而且安娜摩尔进行有益的对话。