如果我們要避免全球變暖造成的環(huán)境危機，就必須擺脫化石燃料。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都在大力關(guān)注氫氣，將其作為一種可行的清潔替代物。氫氣實際上是取之不盡、用之不竭的，當(dāng)用于產(chǎn)生能源時，只產(chǎn)生水蒸氣。然而，為了實現(xiàn)一個真正生態(tài)友好的氫氣社會，我們首先需要能夠清潔地大規(guī)模生產(chǎn)氫氣。

做到這一點的一個方法是通過 '人工光合作用 '來分裂水，在這個過程中，被稱為 '光催化劑 '的材料利用太陽能從水中產(chǎn)生氧氣和氫氣。然而，現(xiàn)有的光催化劑還沒有達到使太陽能水分離在經(jīng)濟上可行和可擴展所需的程度。為了達到這個目的，應(yīng)該解決兩個主要問題：太陽能-氫氣（STH）轉(zhuǎn)換效率低和光電化學(xué)水分離電池的耐久性不足。

在日本名古屋工業(yè)大學(xué)，Masashi Kato教授和他的同事們一直在努力工作，通過探索新材料及其組合，并深入了解支撐其性能的物理化學(xué)機制，將光催化劑推向新的高度。在他們發(fā)表在《太陽能材料和太陽能電池》上的最新研究中，加藤博士和他的團隊現(xiàn)在已經(jīng)成功地做到了這一點，他們將氧化鈦（TiO2）和p型立方體SiC（3C-SiC）這兩種有前途的光催化劑材料結(jié)合到一個串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，使之成為一個高度耐用和高效的水分離電池（見圖）。

使用半透明的TiO2光陽極使SiC光陰極能夠利用透射光。使用具有不同能隙的光催化劑可以提高轉(zhuǎn)換效率

研究小組在其研究中探索的串聯(lián)結(jié)構(gòu)將兩種光催化劑材料串聯(lián)起來，半透明的TiO2作為光陽極，3C-SiC作為光陰極。由于每種材料在不同的頻段吸收太陽能，串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以通過允許更多的入射光線激發(fā)電荷載體并產(chǎn)生必要的電流來明顯提高水分離電池的轉(zhuǎn)換效率。

研究小組測量了應(yīng)用外部電壓和pH值對細胞中產(chǎn)生的光電流的影響，然后在不同的光強度下進行了水分離實驗。他們還測量了產(chǎn)生的氧氣和氫氣的數(shù)量。結(jié)果非常令人鼓舞，正如加藤博士所說，測得的最大應(yīng)用偏壓光子-電流效率為0.74%。這一數(shù)值，再加上觀察到的大約100天的耐久性，使我們的水分離系統(tǒng)成為目前最好的系統(tǒng)之一。此外，這項研究的結(jié)果暗示了所提議的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的觀察性能背后的一些潛在機制。

需要進一步的研究來繼續(xù)改進光電化學(xué)水分離系統(tǒng)，直到它們變得廣泛適用。盡管如此，這項研究顯然是向清潔的未來邁出了一步。加藤博士在談到他的愿景時說：'我們的貢獻將加速人工光合作用技術(shù)的發(fā)展，它將直接從太陽光中產(chǎn)生能源資源。因此，我們的發(fā)現(xiàn)可能有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會。'