出品：科普中国

作者：X-Y（中科院大连化学物理研究所）

监制：中国科普博览

亘古至今，太阳都在自然界中起着举足轻重的作用，中学的时候我们就学习过自然光合作用，想必大家也并不陌生，它就是植物在其叶绿体中通过光合酶利用太阳能将水和二氧化碳转化为有机物，并放出氧气的过程。

光合作用作为地球生命活动的能量之源，其太阳能捕获转化与酶催化反应之间的协同关系，指引着科学家们提出并构建了人工光合成体系。

图1 地球生态文明

（图片来源：veer图库）

人工光合成是仿习光合作用，利用太阳能光催化、光电催化等途径将水和二氧化碳转化为氢气或碳氢化合物等太阳燃料，并释放出氧气的过程。而太阳能作为储量丰富的可再生能源，通过光催化、光电催化等将其转化为化学能实现有效利用无疑是一个很有前景的方向。

图2 自然光合作用

（图片来源：veer图库）

那到底什么是光催化、电催化以及光电催化呢？

人工光合成的核心——光催化

光催化是指光催化剂参与催化反应的过程，而光催化剂是指在光激发下能够起催化作用的化学物质的统称。光催化过程包括光催化剂捕光产生光生电荷、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，是跨越多个时间尺度的复杂反应过程。

光催化作为人工光合成的核心，利用太阳能将水分解为氢气和氧气是关键步骤之一。对于半导体光催化剂上的光催化水分解，当半导体吸收能量大于其带隙能量时，价带中的电子被激发到导带中，在价带中留下带有正电性的空位，即空穴(光照下，半导体光催化剂中，负电的电子迁移后留下呈现出正电性的空位称为空穴)，这一步称为光生电荷的产生。

光激发产生的电子和空穴会发生分离，分别迁移到半导体表面，这一步称为光生电荷的分离，而同时发生的也可能是与之互逆的光生电荷的复合过程。最后，水分子利用表面的空穴发生氧化反应产生氧气，而质子得到电子发生还原反应产生氢气。

图3 光催化体系

（图片来源：作者提供）

图4 光催化太阳燃料制备过程

（图片来源：作者提供）

我们的老朋友——电催化

说到水分解，大家是不是跟我一样对中学时期学习的通电条件下分解水制氢的反应印象深刻，这一反应实现了电能到氢能的转化。其实水分子在电能的作用下发生分解，这一现象是在1789年，由阿姆斯特丹的一名商人A. P. Troostwijk和一名医生J. R. Deiman首次发现的，这开启了电催化分解水研究的历史。后来又被研究者进一步证明电解水的产物分别是氧气和氢气。

那什么是电催化呢？电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用。在电催化反应过程中，能催化电极反应的或对电极反应起加速作用的物质称为电催化剂。电极催化剂的范围仅限于金属和半导体等电性材料。

电催化研究较多的有骨架镍、硼化镍、碳化钨、钠钨青铜、尖晶石型与钨态矿型的半导体氧化物，以及各种金属化物及酞菁一类的催化剂。电催化性能决定于电极反应和催化作用两个方面，因此电催化材料的选择尤为重要，必须同时具有这两种功能：1、能导电和比较自由地传递电子；2、能对底物进行有效的催化活化作用。

电催化分解水是目前发展比较成熟的工业制氢技术之一，所得氢气纯度较高，而如何降低成本、提高能源利用率仍是一个重要的研究方向。

光催化与电催化的耦合——光电催化

光电催化分解水制氢和二氧化碳还原也是合成太阳燃料的一种重要方式。其实早在20世纪上半叶，科学家们就对光电化学有了基本研究，直到1972年，日本科学家A. Fujishima和K. Honda在研究电解水时，将TiO2作为阳极、Pt作为阴极，他们发现当对TiO2电极进行紫外光照射时，在外电路观测到由Pt电极向TiO2电极流动的电流，Pt电极和TiO2电极分别发生了产氢和产氧反应。

从此，我们揭开了光电化学合成太阳燃料研究的序幕，人们为了强调催化的作用，也称其为光电催化。

光电催化人工光合成采用组装于导电基底上的半导体等捕光材料薄膜及其助催化剂作为光电极，进行太阳能的转化利用。在光照下（可同时施加外加偏压），光电极产生光生电子和空穴，电子和空穴分别迁移至光阴极和光阳极表面，进行催化还原和催化氧化反应，实现人工光合成过程。

光电催化体系具有其独特的优势：1、光电催化体系电荷分离不仅发生在电极材料内部，还要通过外电路传输，所以可利用外加偏压来促进电荷分离；2、某些在热力学上不足以分解水的光催化材料在外加偏压下辅助从而实现光电催化分解水；3、光电催化实现了氧化和还原反应的空间分离，避免了氧化和还原产物的混合，抑制了逆反应。

图5 光电催化体系

（图片来源：作者提供）

光电化学研究的是光照条件下光电极的电化学性质，即光生载流子参与的光电极-溶液界面的电化学反应过程，因此光电催化体系可以视为光催化和电催化的耦合体系。

结语

传统的化石能源制氢具有不可再生性，还会造成严重的生态环境问题，而通过光催化、光电催化进行太阳能制氢，不仅实现了可再生能源的有效利用，同时也实现了对生态环境的保护，是一条具有广阔应用前景和重要社会意义的可行之路。

虽然目前在人工光合成这条路上已经取得了不错的进展，但仍然存在一些关键性问题等待着科学家们去解决，道阻且长，需要有“不破楼兰终不还”的决心和勇气，相信终究会取得突破，造福人类。

编辑：孙晨宇

参考文献：

[1]李灿.《太阳能转化科学与技术》

来源: 中国科普博览

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