原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Tan M, Chen J, Zhang Z, et al. Recent progress and challenges in photocatalytic green hydrogen production. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221241

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221241

ResearchGate：Recent progress and challenges in photocatalytic green hydrogen production

1、导读

光催化绿氢制备技术凭借太阳能驱动的独特优势，已成为推动能源结构升级的重要研究方向。本综述系统梳理了该领域近年来的关键研究成果，从光吸收性能优化、电荷动力学调控、表面反应动力学强化三个核心维度，深入剖析了光催化绿氢制备技术的基本原理，深度解构了光催化剂的设计策略。此外，本文进一步探讨了该技术未来的研究方向与潜在突破点，以期为推动领域发展、加速其实际应用进程提供理论参考与实践指引。

2、研究背景

氢能作为高能量密度的能源载体，凭借零碳排放、无二次污染的显著优势，已成为满足人类长远能源需求的理想选择。随着全球氢能需求的日益增长，开发安全、绿色且可持续的制备技术已成为行业发展的迫切诉求。光催化绿氢制备技术可将太阳能直接转化为化学能，是极具应用前景的绿氢制备路径，但催化效率偏低的核心瓶颈严重制约了其商业化进程。本综述基于近年来的最新研究成果，系统梳理并深入剖析了该领域亟待攻克的核心挑战，包括光催化剂活性与稳定性的协同优化难题、性能评价体系缺乏统一标准和规模化反应器设计瓶颈；同时，结合特定材料体系针对性提出了可行性解决方案，并对各类策略背后的微观调控机制及内在规律进行了全面解析。在此基础上，本文进一步展望了该领域未来的研究方向，以期为推动光催化绿氢制备技术的理论创新与产业化进程提供参考。

图1 近年来光催化绿氢制备技术的发展

3、文章亮点

对于光催化绿氢制备技术的商业化而言，核心要求是实现太阳能-氢能转化效率（Solar-to-Hydrogen，STH）突破10%的临界阈值。该转化效率由光吸收能力、电荷分离效率及表面反应效率三大因素协同决定。然而，实现这一目标仍面临多重核心挑战：其一，光催化剂可见光响应范围较窄，导致太阳能利用率偏低；其二，电荷动力学过程迟缓，光生载流子的迁移与分离效率不足，直接限制了参与表面反应的活性物种数量；其三，表面活性位点稀缺，进一步制约了反应动力学进程。基于此，本文围绕光吸收、电荷动力学及表面反应动力学三个维度，系统探讨了其核心调控策略及相关作用机制。具体包括：通过能带结构设计、表面等离激元共振与染料敏化策略增强光吸收性能；通过内建电场构建、极化场调控与电子陷阱引入策略改善电荷动力学；通过降低反应能垒、活性位点精准构筑及促进产物解吸措施优化表面反应动力学。

图2 （a）光催化反应过程的时间尺度示意图；（b）影响光催化绿氢制备性能的关键因素及未来应用方向

开发高效光催化剂已成为推动光催化绿氢制备技术发展的核心任务。当前主流光催化剂在绿氢制备领域均具备独特优势，但也存在难以规避的固有缺陷。本文对常见光催化剂进行分类梳理，系统剖析了各类材料的优劣特性，并针对性提出了解决方案。其中，金属硫化物（如CdS、ZnS、MoS₂、ZnIn₂S₄）凭借窄带隙结构，具备较宽的光吸收范围，展现出优异的光催化活性。然而，该类材料化学稳定性欠佳，在光照和反应条件下易发生光腐蚀，其表面的S^2-易被光生空穴氧化生成S或SO₄^2-。此外，部分金属硫化物（如CdS）具有毒性，易对环境造成危害。过渡金属氧化物（如TiO₂、MnO、CuO、ZnO）具备优良的光化学稳定性，且储量丰富、成本低廉，具备规模化应用潜力。但该类材料带隙较宽，仅能响应紫外光，对可见光的利用率有限，在一定程度上制约了光催化绿氢制备效率的提升。氮化碳具有适宜的带隙结构，同时兼具化学稳定性好、成本低、原料易得等优势，是极具应用前景的非金属光催化剂。但在制备过程中，氮化碳极易发生团聚，导致比表面积较低，进而降低传质效率；同时，较差的结晶度会造成光生载流子复合率偏高，这两大问题显著限制了其光催化性能。钙钛矿材料（如SrTiO₃、Cs₂SnI₆、Cs₃Cu₂Br₅）依托优异的结构可调性，可通过组分调控在较宽范围内精准调节材料带隙，适配不同光催化反应需求。但该类材料化学稳定性差，易受水、氧气和光照作用发生分解。此外，多数高效钙钛矿光催化剂含重金属Pb²⁺，反应过程中Pb²⁺易从晶格浸出造成水体污染。尽管无铅钙钛矿光催化剂的相关研究已取得一定进展，但其光催化活性与稳定性仍不及铅基钙钛矿，难以实现完全替代。

4、作者及研究团队简介

谭梦茜（第一作者，通讯作者），河南工业大学讲师/硕士生导师。主要研究方向为新型半导体纳米材料的设计制备及其光催化性能研究，涉及光解水产氢、光催化产过氧化氢、生物质光催化转化等领域。主持国家自然科学基金青年基金、河南省科技攻关等项目3项。在Adv. Funct. Mater.、Small、Coord. Chem. Rev.、J. Adv. Ceram.、Adv. Colloid Interface Sci.、J. Mater. Chem. A等权威期刊累计发表SCI论文十余篇，高被引论文1篇。

陈静（通讯作者），河南工业大学教授/博士生导师。主要研究方向是电化学能量存储与转换，涉及固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池、质子膜燃料电池等领域。目前担任郑州市燃料电池与电化学储能关键材料重点实验室主任、中国稀土学会第七届稀土能源材料专业委员会委员，河南省化学学会理事。主持国家自然科学基金项目2项，参与国家自然科学基金项目4项，河南省优秀青年科学基金获得者，河南省教育厅科技创新人才，主持省部级项目5项，发表SCI论文60余篇。荣获河南省科技进步奖三等奖1项、河南省教育厅科技成果奖一等奖1项。

白洋（通讯作者），北京科技大学研究员/博士生导师。国家重点研发计划项目首席科学家，国家杰出青年基金获得者。现任材料基因工程北京市重点实验室主任，以及中国超材料学会常务理事、中国电子元件学会副秘书长、中国硅酸盐特种陶瓷学会理事、中国仪表功能材料学会理事。2015年获评中国青年科协首届“最美青年科技工作者”；2020年获得第十三届中国硅酸盐学会“青年科技奖”。担任Science China: Technological Sciences、Journal of Advanced Ceramics、International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials等5本英文SCI期刊和2本中文期刊编委。近5年，组织国际学术会议十余次；参加国际学术会议作大会报告（Plenary Talk）、主旨报告（Keynote Talk）、邀请报告（Invited Talk）30余次，并担任分会主席30余次。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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