图1. 面向工业应用的光/电催化技术。

本文综述了近年来多种光/电催化技术大规模工业化应用的研究进展，重点介绍了析氧反应、析氢反应、二氧化碳转化、氧还原反应、有机分子转化和污染物去除等方面的成功尝试和现状。通过对催化剂的设计、反应器的优化以及催化机理方面的探究可以加深我们对各种光/电催化过程的理解，为实现该领域全面工业化应用奠定基础（图1）。

图2. 光催化太阳能分解水及光催化污染物去除工业化应用进展。

具有工业应用前景的光催化剂目前重点关注三个因素:生产成本低、光生电子和空穴可以快速分离、适当的带隙，以支持尽可能多的太阳光谱利用。虽然光催化制氢的产业化尚处于初步研究阶段，但随着研究人员的不断深入探索，已经有一些从实验室规模到大规模应用的尝试。此外，光催化被认为是一种重要的工业废水处理方案。为了将实验室规模的研究转变为中试规模或大规模操作，研究人员做了大量的努力，并报道了光催化去除不同类型的污染物(染料、酚类化合物、金属离子等)（图2）。

图3. 工业级电流密度下有机小分子电催化转化研究现状。

虽然已经开发出多种高效的OER和HER催化剂来降低工业级电流密度下反应过程中的过电位，但仍存在阳极的产物价值低，在电解槽内容易与H₂混合等问题。与传统的水裂解相比，用热力学上更有利的有机分子电催化转化策略代替OER不仅可以显著提升产氢效率，还可以得到一些高附加值的化合物，从而提高经济效益。因此，本文介绍了一系列电催化剂在高电流密度下对多种有机分子催化转化的电催化活性及其稳定性（图3）。

图4. 可再生能源整体生产和利用的大规模集成工艺发展概况。

在氢的直接利用方面，由于氢的体积能量密度低，大量氢的远距离运输和储存是一个很大的挑战，这将导致巨大的成本和严重的安全问题。近年来，分解液氢制氢已成为加速氢经济发展的一种替代氢气处理技术。例如，NH₃被认为是一种很有前途的促进能量向氢过渡的介质，因为它的高重量氢含量，并且可以在室温下容易液化。NH₃分解被认为是一种通过催化过程产生氮气和氢气混合物的实用方法。产生的氢可以直接用作燃料，为燃料电池系统提供动力发电，也可以用作其他过程的氢供应，如供电、加热和化学反应的原料（图4）。

尽管近年来光/电催化的大规模工业化生产高附加值产品和高效治理污染物等方面的优势取得了实质性进步，但是该领域依然有许多问题需要解决。首先，在工业条件下光/电催化剂的表面会发生剧烈的变化，这将对连续操作中的催化性能产生影响。鉴于光/电催化的形貌、组成、价态以及活性物质周围的局部环境在不同的实验条件下都在动态变化，有必要采用一些先进的原位/操作表征技术来阐明真实的的活性中心，并确定催化机理。整体耦合系统及其装置的设计也是非常重要的。例如将光/电催化制氢与其他反应系统耦合，包括CO₂的还原、有机物的选择性氧化和污染物的氧化降解。选择合适的反应进行耦合，可以降低能耗，增加产品的附加值，或者加快反应速率，从而提高催化体系的实用性。

本文以“Potential industrial applications of photo/electrocatalysis: Recent progress and future challenges”为题，发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为赵宇飞教授、刘宾副教授、罗勇教授、以及香港理工大学李孟蓉副教授。