Photocatalysis in solar fuel production

随着化石资源(煤、石油、天然气)的日益枯竭和化石资源大量使用引起的环境污染等问题，发展可再生能源已经迫在眉睫。从长远来看，太阳能是唯一能够在总量上替代化石资源的可再生能源,因此，开发和利用太阳能关系到一个国家的能源安全、生态文明建设等问题，具有重要的意义。光催化制太阳能燃料，即利用太阳能分解水制氢或转化二氧化碳制备燃料（氢气，一氧化碳、甲醇、甲烷等），将太阳能以化学能的形式贮存起来并加以利用，虽然目前是一种前瞻性的科学技术，但因为转化的太阳能燃料能够与现有的能源结构很好地匹配，因此被认为是未来太阳能转化和利用的最佳方式之一。 该研究展望简要阐述了光催化制太阳能燃料前沿科学技术中粉体光催化、光电催化、光伏-电催化耦合的研究现状、发展趋势,并对该领域的未来进行了展望。光催化制太阳能燃料是能量爬坡的多电子转移催化反应，需要同时满足宽光谱吸收、有效电荷分离和高效表面催化反应的要求，因此非常具有挑战性，被认为是“科学的圣杯”。本文阐述了结与助催化剂对实现高效电荷分离、构建反应活性中心等起的关键作用及其最新研究进展。本文指出光电催化和光伏-电催化耦合的研究应该引起足够的重视，因为这些方法不仅有将氧化和还原产物直接通过膜分离的优势，同时太阳能-化学能转化效率已经接近光伏电池的水平，尽管现有系统的稳定性和价格仍然是个问题。光催化制太阳能燃料极有可能是未来太阳能转化利用的颠覆性技术，虽然目前仍处于前瞻性的实验室研究阶段，但相信随着研究的不断深入，在不久的将来会有突破性研究进展，因此呼吁国家层面上加大研究投入,占领未来可再生能源的制高点。