太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

doi:10.1016/S1872-2067(16)62552-4

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (1): 5-12.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62552-4

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

李仁贵^a,b

a 中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连 116023;
b 中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室, 辽宁大连 116023

收稿日期:2016-08-30 修回日期:2016-09-25 出版日期:2017-01-18 发布日期:2017-01-18
通讯作者: Rengui Li,E-mail:rgli@dicp.ac.cn
基金资助:
国家重点基础研究发展计划（973计划，2014CB239400），国家自然科学基金（21501236，21673230），中国科学院青年创新促进会（2016167）.

Latest progress in hydrogen production from solar water splitting via photocatalysis, photoelectrochemical, and photovoltaic-photoelectrochemical solutions

Rengui Li^a,b

a Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
b State Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China

Received:2016-08-30 Revised:2016-09-25 Online:2017-01-18 Published:2017-01-18
Contact: Rengui Li,E-mail:rgli@dicp.ac.cn
Supported by:
This work was supported by the National Basic Research Program of the Ministry of Science and Technology (973 Program, 2014CB239400), the National Natural Science Foundation of China (21501236, 21673230), and Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (2016167).

摘要/Abstract

摘要：

能源是人类生存和发展的物质基础，太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一，其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能，同时氢能可与CO₂综合利用结合起来，在减少碳排放的同时，生成高附加值的化学品，实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步，本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径（即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径）入手，分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.
利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大，被认为是未来应用最可行的方式之一，但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO₃：La，Rh/Au/BiVO₄：Mo光催化剂其太阳能到氢能（STH）转化效率已超过了1.0%，相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃，让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等，均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题；光电催化分解水在过去2-3年内发展迅速，在一些典型的光阳极半导体材料（如BiVO₄和Ta₃N₅等）体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现，在Ta₃N₅光阳极的研究中，通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略，光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升，光电流大小甚至可接近Ta₃N₅材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破，该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外，光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注；光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高，在多个体系上已超过10%以上，最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合，其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求，但是光伏电池的成本（尤其是多结GaAs太阳电池）极大限制了其大面积规模化应用，同时还要考虑电催化剂的成本和效率等，光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是，光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用，如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.
总之，太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展，太阳能制氢效率得到了大幅度提升，也是目前世界范围内关注的研究热点之一，不仅具有强的潜在工业应用背景，更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域，在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上，不久的将来，有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.

关键词: 太阳能利用, 光催化, 水分解制氢, 电荷分离

Abstract:

Hydrogen production via solar water splitting is regarded as one of the most promising ways to utilize solar energy and has attracted more and more attention. Great progress has been made on photocatalytic water splitting for hydrogen production in the past few years. This review summa-rizes the very recent progress (mainly in the last 2-3 years) on three major types of solar hydrogen production systems:particulate photocatalysis (PC) systems, photoelectrochemical (PEC) systems, and photovoltaic-photoelectrochemical (PV-PEC) hybrid systems. The solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiency of PC systems has recently exceeded 1.0% using a SrTiO₃:La,Rh/Au/BiVO₄:Mo photocatalyst, 2.5% for PEC water splitting on a tantalum nitride photoanode, and reached 22.4% for PV-PEC water splitting using a multi-junction GaInP/GaAs/Ge cell and Ni electrode hybrid sys-tem. The advantages and disadvantages of these systems for hydrogen production via solar water splitting, especially for their potential demonstration and application in the future, are briefly de-scribed and discussed. Finally, the challenges and opportunities for solar water splitting solutions are also forecasted.

Key words: Solar energy utilization, Photocatalysis, Water splitting for hydrogen production, Charge separation

李仁贵. 太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径[J]. 催化学报, 2017, 38(1): 5-12.

Rengui Li. Latest progress in hydrogen production from solar water splitting via photocatalysis, photoelectrochemical, and photovoltaic-photoelectrochemical solutions[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(1): 5-12.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(16)62552-4

https://www.cjcatal.com/CN/Y2017/V38/I1/5

参考文献

[1] K. Alanne, A. Saari, Renew. Sust. Energy Rev., 2006, 10, 539-558.
[2] N. S. Lewis, Science, 2007, 315, 798-801.
[3] M. Asif, T. Muneer, Renew. Sust. Energy Rev., 2007, 11, 1388-1413.
[4] N. S. Lewis, D. G. Nocera, Proc. Nati. Acad. Sci., 2006, 103, 15729-15735.
[5] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, C. Sorrell, Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27, 991-1022.
[6] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, C. Sorrell, Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27, 19-26.
[7] M. Momirlan, T. N. Veziroglu, Int. J. Hydrogen Energy, 2005, 30, 795-802.
[8] R. W. Dorner, D. R. Hardy, F. W. Williams, H. D. Willauer, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 884-890.
[9] P. G. Jessop, T. Ikariya, R. Noyori, Chem. Rev., 1995, 95, 259-272.
[10] A. E. Ashley, A. L. Thompson, D. O'Hare, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 9839-9843.
[11] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.
[12] A. L. Linsebigler, G. Lu, J. T. Yates Jr, Chem. Rev., 1995, 95,735-758.
[13] X. Chen, S. S. Mao, Chem. Rev., 2007, 107, 2891-2959.
[14] X. Chen, S. Shen, L. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.
[15] J. H. Yang, D. E. Wang, H. X. Han, C. Li, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1900-1909.
[16] T. Hisatomi, J. Kubota, K. Domen, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 7520-7535.
[17] H. L. Wang, L. S. Zhang, Z. G. Chen, J. Q. Hu, S. J. Li, Z. H. Wang, J. S. Liu, X. C. Wang, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5234-5244.
[18] J. S. Jang, H. G. Kim, J. S. Lee, Catal. Today, 2012, 185, 270-277.
[19] J. Zhang, Q. Xu, Z. C. Feng, M. J. Li, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 1766-1769.
[20] X. Wang, Q. Xu, M. R. Li, S. Shen, X. L. Wang, Y. C. Wang, Z. C. Feng, J. Y. Shi, H. X. Han, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 13089-13092.
[21] R. G. Li, F. X. Zhang, D. E. Wang, J. X. Yang, M. R. Li, J. Zhu, X. Zhou, H. X. Han, C. Li, Nat. Commun., 2013, 4, 1432.
[22] R. G. Li, H. X. Han, F. X. Zhang, D. E. Wang, C. Li, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1369-1376.
[23] F. Gallucci, E. Fernandez, P. Corengia, M. van Sint Annaland, Chem. Eng. Sci., 2013, 92, 40-66.
[24] C. Feng, K. Khulbe, T. Matsuura, R. Farnood, A. Ismail, J. Membr. Sci. Res., 2015, 1, 49-72.
[25] N. Kosinov, J. Gascon, F. Kapteijn, E. J. M. Hensen, J. Membr. Sci., 2016, 499, 65-79.
[26] K. Sivula, F. Le Formal, M. Grätzel, ChemSusChem, 2011, 4, 432-449.
[27] O. Khaselev, J. A. Turner, Science, 1998, 280, 425-427.
[28] H. Gerischer, Top. Appl. Phys., 1979, 31, 115-172.
[29] L. C. Pop, V. Dracopoulos, P. Lianos, Appl. Surf. Sci., 2015, 333, 147-151.
[30] F. Yilmaz, M. T. Balta, R. Selba?, Renew. Sust. Energy Rev., 2016, 56, 171-178.
[31] C. Acar, I. Dincer, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 7950-7959.
[32] X. Li, J. G. Yu, J. X. Low, Y. P. Fang, J. Xiao, X. B. Chen, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 2485-2534.
[33] H. Kato, K. Asakura, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3082-3089.
[34] K. Maeda, K. Teramura, D. Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Nature, 2006, 440, 295-295.
[35] K. Maeda, K. Teramura, K. Domen, J. Catal., 2008, 254, 198-204.
[36] Z. Zou, J. Ye, K. Sayama, H. Arakawa, Nature, 2001, 414, 625-627.
[37] C. Pan, T. Takata, M. Nakabayashi, T. Matsumoto, N. Shibata, Y. Ikuhara, K. Domen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2955-2959.
[38] T. F. Yeh, C. Y. Teng, S. J. Chen, H. Teng, Adv. Mater., 2014, 26, 3297-3303.
[39] M. G. Kibria, H. P. T. Nguyen, K. Cui, S. Zhao, D. Liu, H. Guo, M. L. Trudeau, S. Paradis, A. R. Hakima, Z. Mi, ACS Nano, 2013, 7, 7886-7893.
[40] Q. Wang, T. Hisatomi, Q. Jia, H. Tokudome, M. Zhong, C. Wang, Z. Pan, T. Takata, M. Nakabayashi, N. Shibata, Y. Li, I. D. Sharp, A. Kudo, T. Yamada, K. Domen. Nat. Mater., 2016, 15, 611-615.
[41] B. A. Pinaud, J. D. Benck, L. C. Seitz, A. J. Forman, Z. Chen, T. G. Deutsch, B. D. James, K. N. Baum, G. N. Baum, S. Ardo, H. Wang, E. Miller, T. F. Jaramillo, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1983-2002.
[42] D. M. Fabian, S. Hu, N. Singh, F. A. Houle, T. Hisatomi, K. Domen, F. E. Osterloh, S. Ardo, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2825-2850.
[43] K. Maeda, ACS Catal., 2013, 3, 1486-1503.
[44] K. Sayama, K. Mukasa, R. Abe, Y. Abe, H. Arakawa, J. Photochem. Photobio. A, 2002, 148, 71-77.
[45] A. Kudo, Y. Miseki, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 253-278.
[46] Y. Sasaki, H. Kato, A. Kudo, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 5441-5449.
[47] S. Chen, Y. Qi, T. Hisatomi, Q. Ding, T. Asai, Z. Li, S. S. K. Ma, F. Zhang, K. Domen, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 8498-8501.
[48] K. Maeda, M. Higashi, D. Lu, R. Abe, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 5858-5868.
[49] T. W. Kim, K. S. Choi, Science, 2014, 343, 990-994.
[50] T. W. Kim, Y. Ping, G. A. Galli, K. S. Choi, Nat. Commun., 2015, 6, 8769.
[51] Y. B. Kuang, Q. X. Jia, H. Nishiyama, T. Yamada, A. Kudo, K. Domen, Adv. Energy Mater., 2016, 6, 8769.
[52] Y. B. Li, T. Takata, D. Cha, K. Takanabe, T. Minegishi, J. Kubota, K. Domen, Adv. Mater., 2013, 25, 125-131.
[53] Y. B. Li, L. Zhang, A. T. Pardo, J. M. González-Calbet, Y. H. Ma, P. Oleynikov, O. Terasaki, S. Asahina, M. Shima, D. Cha, Nat. Commun., 2013, 4, 2566.
[54] G. Liu, J. Shi, F. Zhang, Z. Chen, J. Han, C. Ding, S. Chen, Z. Wang, H. Han, C. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7295-7299.
[55] G. J. Liu, P. Fu, L. Y. Zhou, P. L. Yan, C. M. Ding, J. Y. Shi, C. Li, Chem. Eur. J., 2015, 21, 9624-9628.
[56] G. J. Liu, S. Ye, P. L. Yan, F. Q. Xiong, P. Fu, Z. L. Wang, Z. Chen, J. Y. Shi, C. Li, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1327-1334.
[57] K. Ueda, T. Minegishi, J. Clune, M. Nakabayashi, T. Hisatomi, H. Nishiyama, M. Katayama, N. Shibata, J. Kubota, T. Yamada, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2227-2230.
[58] P. Arunachalam, A. Al-Mayouf, M. A. Ghanem, M. N. Shaddad, M. T. Weller, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 11644-11652.
[59] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Grätzel, E. Thimsen, Nat. Mater,. 2011, 10, 456-461.
[60] J. S. Luo, L. Steier, M. K. Son, M. Schreier, M. T. Mayer, M. Grätzel, Nano Lett., 2016, 16, 1848-1857.
[61] S. A. Bonke, M. Wiechen, D. R. MacFarlane, L. Spiccia, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2791-2796.
[62] Y. Pihosh, I. Turkevych, K. Mawatari, J. Uemura, Y. Kazoe, S. Kosar, K. Makita, T. Sugaya, T. Matsui, D. Fujita, M. Tasa, M. Kondo, K. Kitamori, Sci. Rep., 2015, 5, 11141.
[63] J. S. Luo, J. H. Im, M. T. Mayer, M. Schreier, M. K. Nazeeruddin, N. G. Park, S. D. Tilley, H. J. Fan, M. Grätzel, Science, 2014, 345, 1593-1596.

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

Latest progress in hydrogen production from solar water splitting via photocatalysis, photoelectrochemical, and photovoltaic-photoelectrochemical solutions

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	赵彬彬, 钟威, 陈峰, 王苹, 别传彪, 余火根. 高晶化g-C₃N₄光催化剂: 合成、结构调控和光催化产氢[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 127-143.
[2]	唐小龙, 李锋, 李方, 江燕斌, 余长林. 单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 79-98.
[3]	蔡铭洁, 刘艳萍, 董珂欣, 陈晓波, 李世杰. 漂浮型Bi₂WO₆/C₃N₄/碳布S型异质结光催化材料用于高效净化水体环境[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 239-251.
[4]	王思恺, 闵祥婷, 乔波涛, 颜宁, 张涛. 单原子催化: 追寻催化领域的“圣杯”[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 1-13.
[5]	江梓聪, 程蓓, 张留洋, 张振翼, 别传彪. 氧化锌基梯型异质结光催化剂[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 32-49.
[6]	刘博文, 蔡家杰, 张建军, 谭海燕, 程蓓, 许景三. MOF/CdS梯型光催化剂同时进行苯甲醇氧化和析氢反应及其机理研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 204-215.
[7]	宋明明, 宋相海, 刘鑫, 周伟强, 霍鹏伟. ZnIn₂S₄/MOF-808微球结构S型异质结光催化剂的制备及其光还原CO₂性能研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 180-192.
[8]	邵秀丽, 李可, 李静萍, 程强, 王国宏, 王楷. 揭示NiS@Ta₂O₅纳米纤维中梯型电荷转移路径及光催化CO₂转化性能[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 193-203.
[9]	李嘉明, 李源, 王小田, 杨直雄, 张高科. TiO₂上原子分散的Fe位点促进光催化CO₂还原: 增强的催化活性、 DFT计算和机制洞察[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 145-156.
[10]	阎菲, 张由子, 刘思碧, 邹睿卿, Jahan B Ghasemi, 李炫华. 供体-受体型卟啉基金属有机框架实现有效电荷分离高效光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 124-134.
[11]	孙利娟, 王伟康, 路平, 刘芹芹, 王乐乐, 唐华. 纳米高熵合金实现光催化剂肖特基势垒的调控用于光催化制氢与苯甲醇氧化耦合反应[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 90-100.
[12]	刘海峰, 黄祥, 陈加藏. 电子态调控促进氢气无损耗纯化中CO的光致富集和氧化[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 49-54.
[13]	袁鑫, 范海滨, 刘杰, 覃龙州, 王剑, 段秀, 邱江凯, 郭凯. 连续流技术在光氧化还原催化转化的最新进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 175-194.
[14]	余治晗, 关晨, 岳晓阳, 向全军. 碳环渗入的结晶氮化碳S型同质结及其光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 361-371.
[15]	李慧杰, 池漫洲, 辛兴, 王瑞杰, 刘天府, 吕红金, 杨国昱. 异金属取代的多金属氧酸盐@光响应型金属-有机框架用于高选择性光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 343-351.