太阳能是一种清洁且取之不尽的可再生能源，其到达地球表面的能量远远超过当前全球能源消耗量三个数量级以上，因此太阳能利用成为解决能源和环境问题、实现可持续社会的重要途径。
在众多太阳能转换技术中，光伏技术已实现商业化并且成本大幅下降，但由于太阳能丰富地区与能源需求地区分布不均，电能的储存和输送仍面临重大挑战。因此，将太阳能转化为易于储存和运输的化学燃料——绿色氢气，成为研究热点。光催化水分解作为一种直接利用太阳光驱动水分解产生氢气和氧气的技术，因其系统结构简单、制氢潜力巨大而备受关注。
然而，目前光催化水分解存在效率较低、光催化剂寿命有限、氢气分离纯化技术不成熟以及大规模应用难以实现等技术瓶颈。
为了解决这一问题，东京大学Kazunari Domen教授团队在Nature Reviews Materials期刊上发表了题为“Materials and systems for large-scale photocatalytic water splitting”的最新论文。科学家综述了光催化水分解领域的最新进展，重点讨论了光催化剂材料设计、反应系统优化、工艺流程改进以及安全和社会接受度等方面的挑战与机遇。
研究表明，尽管光催化水分解的太阳能转氢效率仍低于光伏辅助电解，但通过材料创新和系统集成，有望实现高效、经济且可持续的绿色氢气生产，为推动能源结构转型和实现碳中和目标提供新路径。
（1）综述首次系统总结了太阳光驱动光催化水分解技术的发展现状，得到了该技术在材料、系统及工艺等多个层面的最新进展和挑战。
（2）综述讨论了太阳能制氢的主要技术路线，尤其聚焦于光催化水分解，指出以下几个关键结果和问题：
图1:通过光催化分解水生产绿色氢气的大规模实施所需技术发展。
图2:光催化分解水的能量图。
图3:Al掺杂SrTiO3光催化剂的共负载。
图4:各种光催化剂的AQY比较。
图5:用于Z-方案水分解的光催化剂片层。
图6:100-m2水分解光催化剂面板反应器。
图7:大规模水分解光催化剂面板反应器的气体分离性能。
太阳光驱动的光催化水分解技术为实现绿色可再生氢气的低成本大规模生产提供了新的思路，展示了光催化材料与系统集成的巨大潜力。其次，尽管光催化剂在量子效率、可见光响应及耐久性等方面取得了显著进展，但目前技术在效率、规模化制备和系统安全性等方面仍存在明显短板，强调了多学科交叉融合的重要性。
再次，本文指出实现高效稳定的光催化水分解不仅需要优化光催化材料的结构和性能，还需设计合理的反应系统以确保氢氧气体的安全分离和回收，体现了材料科学与工程技术的紧密结合。最后，文章强调产业界、政府和学术界的协同创新与合作是推动该技术商业化的关键，特别是在成本控制、工艺改进以及社会接受度提升方面具有重要意义。总体来看，本文为未来光催化水分解制氢技术的研究与应用指明了方向，推动绿色氢能的可持续发展，助力实现能源转型与环境保护的双重目标。
Hisatomi, T., Yamada, T., Nishiyama, H. et al. Materials and systems for large-scale photocatalytic water splitting. Nat Rev Mater (2025). https://doi.org/10.1038/s41578-025-00823-0