针对Nature文章的评述|利用III族氮化物纳米线向太阳光全解水制氢的商业化门槛迈进

正文导读

    加拿大工程院孙书会院士和上海交通大学周宝文副教授针对密歇根大学安娜堡分校Zetian Mi（米泽田）教授课题组发表的光催化全解水制氢文章“Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting”在Frontiers in Energy（中国工程院院刊之一）作出评述。

    利用太阳光全解水制备绿色氢能是应对气候变化和能源危机，满足后化石能源时代高品位用能需求的一种理想策略。自1972年日本科学家A. Fujishima和K. Honda首次报道利用金属氧化物半导体TiO₂吸收太阳光分解水制得氢气以来，在过去几十年中，全球科学家在这一领域付出了极大的努力，取得了一系列重要的进展。然而，受光子吸收效率低，光生载流子复合严重，表界面化学反应缓慢等关键科学技术问题的影响，现有光催化体系全解水制氢过程太阳能到氢能的转化效率STH（Solar-to-Hydrogen efficiency）还远低于商业化的要求。特别是，占太阳能53%的红外光由于光子能量低，大多数情况下不能激发半导体产生光生载流子，因此没有得到有效地利用，仅作为废热耗散了。此外，光催化体系表界面生成的氢气和氧气容易发生逆反应生成水，也大大地限制了体系的STH。

    近期，美国密歇根大学安娜堡分校Zetian Mi教授团队通过等离子体辅助分子束外延和原位光沉积组合的方法制备了以硅晶圆为衬底，负载Rh/Cr₂O₃/Co₃­O₄的InGaN/GaN纳米线阵列。在实验室内通过模拟太阳光全解水，得到了打破世界纪录高达9.2%的STH。值得一提的是，这项工作中设计的催化剂在户外测试中利用聚焦的阳光全解水，STH也达到了6.2%，并且具有良好的稳定性，证明了其技术的可实践性。该工作的主要完成人，Zetian Mi教授课题组的博士后Peng Zhou指出：得益于红外光强烈的热效应，反应体系被加热到一定温度，可以有效地抑制氢气和氧气的逆反应，从而有效地提高了过程的能量转化效率。这一独特的发现，为充分利用红外光促进光解水制氢提供了重要的依据。该工作近期以“Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9% in photocatalytic water splitting”为名发表在国际顶级期刊Nature上。

    作为该工作的核心参与人，上海交通大学周宝文副教授应 Frontiers in Energy邀请，与加拿大工程院孙书会院士对该工作撰写了评论文章。文章指出：Zetian Mi教授2011年首次利用分子束外延生长的III-nitrides纳米线成功地实现了光催化全分解水，在过去的十余年间，通过持续研究，不断调控优化III族氮化物纳米线的光子学性能、电子学性能、和表界面性能。同时，借鉴人工光合作用领域开发的新型合理的助催化剂，不断突破III-nitrides纳米线光解水制氢的STH效率极限。此外，评述文章还概括了负载Rh/Cr₂O₃/Co₃­O₄的InGaN/GaN纳米线这一催化剂具有出色性能和效率的原因，评价了其在太阳光全解水制备绿氢以减少对化石燃料依赖的商业化潜力。最后提出了展望：为使III-nitrides 纳米线器件太阳光全解水制氢比传统化石能源重整制氢在经济上更有竞争力，III-nitrides 需与其它具有卓越光电性能的半导体集成组装，进一步提高器件STH。同时，需使用更大面积的模块化器件，通过系统集成，完成更长时间的户外性能测试，以及改进制备方法以降低器件的制造成本。

# 文章信息 #

Approaching the commercial threshold of solar water splitting toward hydrogen by III-nitrides nanowires

Baowen ZHOU^1*, Shuhui SUN^2*

Author information:

1. Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of the Ministry of Education, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong Univeristy, Shanghai 200240, China

2. Institut National de la Recherche Scientifique (INRS)-Center Énergie Matériaux Télécommunications, Varennes, Quebec J3X 1P7, Canada

Cite this article:

Baowen ZHOU, Shuhui SUN. Approaching the commercial threshold of solar water splitting toward hydrogen by III-nitrides nanowires. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-023-0870-z

# 通讯作者简介 #

周宝文，上海交通大学副教授、博士生导师，国家海外高层次人才，上海市领军人才。长期致力于开发面向碳中和未来的人工光合作用集成器件与系统（Artificial Photosynthesis Integrated Device and System），开展光-电-热驱动水、二氧化碳、生物质和废弃物等生产可再生合成燃料以及化学储能和绿色动力的研究。主持国家自然科学优秀青年基金（海外）、国家自然科学青年基金、上海市基础研究特区计划和上海市市级科技重大专项课题等科研项目8项。近年在Nature, PNAS (2), Nat. Commun., Commun. Chem., Energy Environ. Sci., Angew. Chem., Chem. Sci. (2), Green Chem.(7), Sci. China Chem., Front. Energy等国际著名期刊发表论文40多篇。申请中国/美国/PCT专利14件，授权4件。受邀在国内外大型会议做邀请报告10余次。担任The Innovation期刊青年编委、Front. Energy客座编辑、中国能源学会专家委会委员。

孙书会，加拿大工程院院士、加拿大国立科学研究院教授、加拿大皇家科学院青年院士；现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Reviews (IF=32.8)执行主编，SusMat 副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源技术中的应用，包括燃料电池、绿色氢能、锂金属电池、金属空气电池、金属离子电池、二氧化碳转换等, 在Nat. Commun., Nature Sustainability, Science Advances, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，JACS, Angew. Chem.等国际著名期刊上发表论文270余篇, 全球前2%顶尖科学家 (终身科学影响力)。主编英文专著3部，章节15章，同时获得多个美国专利。近5年先后荣获国际氢能学会Research Award、加拿大化学会催化Lectureship Award、美国电化学会-丰田汽车青年科学家、IUPAC青年科学家等奖励。担任加拿大自然科学基金委和欧盟能源项目评审人，中国科学院海外评审专家，中国国家自然科学奖海外评审专家。

   Frontiers in Energy （SCI，2021 IF 2.964），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、周守为院士、苏义脑院士和彭苏萍院士，执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

    涉及领域包括（不限于）：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，电力与能源系统，能源与环境，能源经济和政策等。

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