将两种光催化剂串联结合可以实现高效电解水制氢

如果我们要避免全球变暖造成的环境危机，就必须摆脱化石燃料。工业界和学术界都在大力关注氢气，将其作为一种可行的清洁替代物。氢气实际上是取之不尽、用之不竭的，当用于产生能源时，只产生水蒸气。然而，为了实现一个真正生态友好的氢气社会，我们首先需要能够清洁地大规模生产氢气。

做到这一点的一个方法是通过 '人工光合作用 '来分裂水，在这个过程中，被称为 '光催化剂 '的材料利用太阳能从水中产生氧气和氢气。然而，现有的光催化剂还没有达到使太阳能水分离在经济上可行和可扩展所需的程度。为了达到这个目的，应该解决两个主要问题：太阳能-氢气（STH）转换效率低和光电化学水分离电池的耐久性不足。

在日本名古屋工业大学，Masashi Kato教授和他的同事们一直在努力工作，通过探索新材料及其组合，并深入了解支撑其性能的物理化学机制，将光催化剂推向新的高度。在他们发表在《太阳能材料和太阳能电池》上的最新研究中，加藤博士和他的团队现在已经成功地做到了这一点，他们将氧化钛（TiO2）和p型立方体SiC（3C-SiC）这两种有前途的光催化剂材料结合到一个串联结构中，使之成为一个高度耐用和高效的水分离电池（见图）。

使用半透明的TiO2光阳极使SiC光阴极能够利用透射光。使用具有不同能隙的光催化剂可以提高转换效率

研究小组在其研究中探索的串联结构将两种光催化剂材料串联起来，半透明的TiO2作为光阳极，3C-SiC作为光阴极。由于每种材料在不同的频段吸收太阳能，串联结构可以通过允许更多的入射光线激发电荷载体并产生必要的电流来明显提高水分离电池的转换效率。

研究小组测量了应用外部电压和pH值对细胞中产生的光电流的影响，然后在不同的光强度下进行了水分离实验。他们还测量了产生的氧气和氢气的数量。结果非常令人鼓舞，正如加藤博士所说，测得的最大应用偏压光子-电流效率为0.74%。这一数值，再加上观察到的大约100天的耐久性，使我们的水分离系统成为目前最好的系统之一。此外，这项研究的结果暗示了所提议的串联结构的观察性能背后的一些潜在机制。

需要进一步的研究来继续改进光电化学水分离系统，直到它们变得广泛适用。尽管如此，这项研究显然是向清洁的未来迈出了一步。加藤博士在谈到他的愿景时说：'我们的贡献将加速人工光合作用技术的发展，它将直接从太阳光中产生能源资源。因此，我们的发现可能有助于实现可持续发展的社会。'