第一作者：滕佳岩，李文璐
通讯作者：魏振，邓积光，马天翼
通讯单位：北京工业大学，皇家墨尔本理工大学
论文DOI：10.1002/anie.202416039
氢气作为一种清洁且可持续的能源，在燃料电池和氢能储存系统中有着广泛的应用。光催化策略作为一种绿色且有前景的解决方案，用于提高氢气生产的效率和稳定性，并提高整体价值。
近日，北京工业大学魏振、邓积光教授和RMIT马天翼教授团队在Angew. Chem. Int. Ed. 期刊发表题为 “Coupling Photocatalytic Hydrogen Production with Key Oxidation Reactions “的综述性文章（图1）。这项工作强调耦合反应产氢体系的协同效益及其实际应用潜力，而不是专注于催化剂或单一反应系统。文章为光催化制氢技术在能源转化和环境保护方面的发展和应用提供了有价值的参考。
图1 光催化制氢耦合氧化半反应示意图。
我们的社会正面临着能源危机和环境污染的双重挑战。传统的能源模式无法满足不断飙升的能源需求，同时也造成了相当大的环境破坏。因此，发展清洁和可持续能源已成为全球共识。近年来，氢(H2)作为一种高效、环保的能源介质受到了广泛的关注，因此，探索绿色可再生制氢技术至关重要。光催化水分解制氢被认为是未来可持续能源解决方案的关键技术，其原理是利用太阳能激发半导体催化剂产生高能的光生电荷，还原质子产氢。然而光催化分解水制氢只是还原半反应，需要配合适当的氧化半反应才能完成整个反应。因此，通过高值化氧化半反应反应来耦合光催化产氢半反应，有助于提高光催化制氢反应效率与提升太阳能综合利用率和经济价值，实现双赢。
1. 光催化制氢耦合氧气生产
1.1 全解水
光催化制氢耦合氧气生产的过程需要完全光催化分解水以产生摩尔比为 2：1的H2和O2。尽管前景广阔，但该过程仍面临一些挑战，包括效率低、副反应、逆反应以及H2和O2的分离，因此，需要持续的研究和开发工作来解决这些问题。
图2 光催化全解水实例。
1.2 海水分解
由于海水约占地球水资源的97%，光催化分解海水生产H2更具成本效益和环境友好性。然而，海水成分复杂，包括各种无机盐、有机物和微生物，对光催化提出了重大挑战，尤其是其中Cl-会产生很多副反应并导致光催化剂失活。因此，催化剂的设计需要减少Cl-在催化剂表面的吸附，降低VB电位抑制Cl-的氧化，甚至利用Cl-调节催化剂的电荷极化。
图3 光催化海水分解应用。
1.3 大规模水分解
大规模光催化全水分解制氢仍面临一些挑战，包括传统粉末光催化剂存在聚集性强、难回收、气体不易分离与收集等问题，严重阻碍了其大规模应用。此外，由于太阳辐射的能量密度低，光解水相关设备的聚光与可扩展性设计也至关重要。
图4 大规模制氢应用实例。
2. 光催化制氢偶联H2O2生产
与全解水中四电子转移产氧过程相比，通过双电子途径将水转化为H2和H2O2更为理想，不仅避免了全解水氢氧气体分离的难题，且所有产品附加值更高。尽管目前对水分解同时生成H2和H2O2的研究较少，但是该过程具有很好的前景。
图5 光催化制氢偶联H2O2生产实例。
3. 光催化制氢耦合生物质转化
生物质能是一种广泛存在的可再生资源，其与光催化的结合为环境可持续性和可再生能源提供了一条创新途径。将生物质转化与光催化产氢反应耦合，提供空穴受体，提高了氢气的产率，并选择性转化为高价值小分子化学品。这种耦合方式朝着解决环境挑战和提高可再生能源利用的综合解决方案迈出的重要一步。
图6 光催化制氢耦合生物质转化实例。
4. 光催化制氢耦合醇氧化反应
在单一的光催化产氢中，常采用添加空穴牺牲剂方法来提高氢气的产率，造成对牺牲剂的浪费与成本的增加。将光催化产氢与醇氧化反应耦合，不仅可以实现高效的产氢效率，而且将醇选择性氧化为更具有工业价值的产物，有助于提升反应的整体效率与价值。后续也可以发展更多类似的有机合成耦合体系。
图7 光催化制氢耦合醇氧化反应实例。
5. 光催化制氢耦合污染物处理
将光催化制氢与塑料重整和污水处理相结合，可以同时解决环境问题和能源需求。光催化过程可以将塑料降解成危害较小的物质，减少因直接填埋排入海洋中造成的污染。在污水处理中，这些过程可以氧化水中的有机污染物，例如抗生素、染料等。光催化的这种双重应用不仅提升了产氢效率，而且通过污染物处理为循环经济做出贡献。
图8 光催化制氢耦合塑料降解应用。
将光催化制氢与增值氧化反应耦合，有助于利用太阳能实现可持续能源和环境改善。这篇综述系统地讨论了光催化制氢耦合反应的关键作用，以及在全解水、高价值化学品合成和污染物降解方面的潜力。这一策略在能源转换、环境治理和有机合成领域提供了广泛的应用前景。未来，可以从提升反应价值、优化光催化剂性能和整体反应系统设计的角度入手，加强创新研究和跨学科合作，设计更加高效和高值的反应体系，推动太阳能的高效利用与能源的可持续，为未来提供清洁能源的解决方案。
Jiayan Teng, Wenlu Li, Zhen Wei*, Derek Hao, Lin Jing, Yuxi Liu, Hongxing Dai, Yongfa Zhu, Tianyi Ma*, Jiguang Deng*. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202416039
https://doi.org/10.1002/anie.202416039
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