太阳能光催化分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能，是科学家们长期以来的梦想。在基础科学层面，光催化过程涉及半导体捕光产生电荷、光生电荷分离与传输以及光生电荷参与表面催化反应等多个步骤的串行，是一个跨越多个时间尺度的复杂反应过程，涉及化学、物理、生物等一系列多学科前沿科学问题。如果能利用太阳能实现高效水分解制氢，不仅缓解人类能源的问题，还有望替代化石能源，将有可能改变世界能源格局，从根本上实现能源可持续发展和人类社会生态文明。

太阳能分解水制氢主要包括基于粉末纳米颗粒体系的光催化分解水制氢、基于光电极的光电催化分解水制氢、以及光伏电池和光电体系或电解水体系耦合途径等。纳米颗粒光催化分解水体系集中体现了光催化的核心科学问题，是研究光电转化、继而光电化学转化科学问题的平台，从太阳能制氢规模化应用的角度考虑，基于粉末纳米颗粒的光催化分解水制氢具有工艺相对简单、易操作、投资成本相对较低的优势，但目前发现的能直接实现完全分解水的光催化剂不多，绝大部分光生电荷分离效率低，成为基础科学研究领域的难题，也不容易实现规模化应用。此外，在实际应用示范中直接完全水分解面临氢气和氧气共存而导致逆反应的问题。近年来国际上许多国家开始尝试论证和探索太阳能光催化分解水规模化应用示范，此前，日本东京大学K. Domen教授课题组报道的固体Z机制光催化分解水平板反应体系，在419 nm处的表观量子效率达到了30%以上，太阳能制氢能转化效率为1.1%，这是粉末纳米颗粒半导体光催化剂分解水制氢示范的一个重要进展。

中国科学院大连化学物理研究所李灿（点击查看介绍）研究团队长期致力于太阳能光催化、光电催化及电催化的前沿科学问题，是国内最早启动太阳能光催化分解水制氢研究的团队之一。尤其在基于粉末纳米颗粒光催化剂体系的光生电荷分离等关键科学问题研究上取得了系列重要进展，先后提出异相结电荷分离机制、发现晶面间光生电荷分离效应、发展了高对称性半导体材料的光生电荷分离和极性诱导的光生电荷分离新策略，并自主研发了光生电荷成像表征新技术并确认了晶面间光生电荷的分离等，受到国际太阳能光催化界的广泛关注。在基础研究取得进展的同时，一直在探索太阳能制氢规模化应用的示范。最近，受自然光合作用原理启发，该团队借鉴农场大规模种植庄稼的思路，率先提出并验证了基于粉末纳米颗粒光催化剂体系的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”（Hydrogen Farm Project, HFP）策略，太阳能光催化全分解水制氢效率创国际最高记录，是一种不同于以往报道的全新的策略。

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“氢农场”策略，是借鉴自然光合作用Z-机制将光系统II和光系统I在空间上分离以及光反应和暗反应在空间上分离的原理，将分解水反应中的水氧化反应与质子还原反应在空间上分离，避免了氢气和氧气的逆反应、规避了产物氢气和氧分离的问题，水氧化反应器开放无需密封，原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。“氢农场”策略类似于农场大规模种植庄稼，即大面积播种利用植物的光合作用储存并收集太阳能，待庄稼成熟后集中收割粮食（储存的太阳能），故称之为“氢农场”策略。实现“氢农场”策略需要解决两个关键问题，一是如何实现高效水氧化光催化过程，二是如何抑制纳米光催化剂表面生成的氧化态和还原态储能介质之间的反应（即逆反应）。

研究团队正是基于半导体不同暴露晶面之间光生电荷分离原理，通过精确调控钒酸铋水氧化光催化剂的氧化和还原反应晶面的暴露比例优化光催化水氧化反应性能，在Fe³⁺/Fe²⁺离子对作为储能介质的条件下，可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上，“氢农场”体系的太阳能到氢能转化利用效率超过1.8%，是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水太阳能到氢能转化效率的最高值。同时，利用光催化剂不同暴露晶面之间独特的电荷分离特性，使Fe³⁺/Fe²⁺离子对之间的逆反应得到有效抑制。并利用钒酸铋光催化剂进行了户外太阳光照射条件下的试验，验证了“氢农场”策略的可行性。该工作展示了利用基础研究成果为应用示范提供科学基础的一个鲜明示例。

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这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的通讯作者是中国科学院大连物理研究所李灿院士和李仁贵研究员，第一作者是博士研究生赵越。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts

Yue Zhao, Chunmei Ding, Jian Zhu, Wei Qin, Xiaoping Tao, Fengtao Fan, Rengui Li, Can Li

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202001438

作者介绍

李灿，中国科学院大连化学物理研究所研究员、SABIC Chair Professor, 中国科学技术大学化学与材料科学学院院长。2003年当选中国科学院院士，2005年第三世界科学院院士，2008年欧洲人文和自然科学院外籍院士。洁净能源国家实验室（筹）主任，中国化学会催化委员会主任，曾任催化基础国家重点实验室主任、国际催化学会理事会主席（2008-2012）等。任英国皇家化学会Chemical Communications 期刊副主编。主要从事催化材料、催化反应、催化光谱表征及太阳能转化和利用科学研究，在国际上率先提出双助催化剂策略、发现半导体相结电荷分离机制、实验上第一次确认了晶面间光生电荷分离效应、成功实现了自然光合与人工光合体系的杂化等，光催化制氢量子效率保持世界纪录、光电催化分解水的效率引领世界水平，研究工作多次被美国C&EN 等国际新闻刊物和基金委内参报道。研究成果在Nature Energy、Nature Catalysis、Nature Comm.、EnergyEnviron. Sci.、Angew. Chem.、JACS 等与人工光合成相关的光催化、光电催化重要刊物发表，仅在太阳能科学利用领域发表论文200余篇，他引超过25000余次，入选全球Highly Cited Researchers；近五年申请发明专利100余件，授权发明专利30余件。受邀出席美国、日本、法国和德国等国家的清洁能源战略会议、受邀多次在高登会议（GRC）、东京先进催化科学与技术（TOCAT）会议上就人工光合成研究作大会和主旨报告，在美国、德国、波兰、新加坡、韩国、加拿大等国家的催化、光催化和光电催化大会议上作大会特邀可主体报告（Plenary & Keynote Lecture）70余次，被当选2020年度太阳燃料高登会议主席。部分奖励包括中国青年科学家奖（1993），香港求是科技基金杰出青年学者奖（1997），中国杰出青年科学家奖（1998年），国家科技发明二等奖（1999），国家自然科学二等奖（2011），国际催化奖（2004，国际催化领域的最高荣誉，每四年一次，每次一人），中国科学院杰出科技成就奖（2005），何梁何利科学技术进步奖（2005年），中国催化成就奖（2014），日本光化学奖（2017），与日本著名光催化科学家K. Domen共同分享亚太催化成就奖（2019）等。

李灿

https://www.x-mol.com/university/faculty/26747

课题组主页

http://canli.dicp.ac.cn

李仁贵，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2009年于厦门大学获得学士学位，2014年于中国科学院大连化学物理研究所取得博士学位，博士期间曾赴日本东京大学K. Domen研究组进行短期的合作交流；2019-2020年在加州理工学院Harry Atwater研究组做访问学者。博士毕业后被聘为青年人才、副研究员加入催化基础国家重点实验室工作；2017年起任洁净能源国家实验室（筹）微纳光电材料及光催化研究组（DNL1608）课题组长；2018年破格晋升为研究员。从事太阳能光催化转化相关研究，以第一作者和通讯作者在Nature Commun.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Energy Environ. Sci.（3篇）、Adv. Energy Mater.（2篇）、Appl. Catal. B: Environ.（4篇）、ACS Catal.（2篇）等刊物发表学术论文40篇，论文他引3000余次。曾受邀在关于人工光合成的Faraday Discussions 会议、全国催化大会、全国光催化与光化学学术会议以及中国科学院学部论坛-“光催化分解水”科学与技术前沿论坛做邀请报告或主旨报告等。荣获中国催化新秀奖（2017）、国际催化大会青年科学家奖（2016）、中国科学院沈阳分院优秀青年科技人才（2018）、大连化物所张大煜青年学者（2018）、兴辽英才计划青年拔尖人才（2019）、辽宁省百千万人才工程千层次（2019）等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/65722