Frontiers in Energy最新专刊上线|“光催化：从太阳能到氢能”

     化石能源的过度开发和利用造成了环境污染和气候变化等严重问题，开发和利用可再生清洁能源势在必行。氢能因其能量密度高、储运方便以及无污染等特点，被公认为是世界上最优异的能源载体之一。虽然许多一次能源都可以转化为氢能，但是太阳能是其中储量最丰富且清洁的一次能源。因此，如何将太阳能高效转化为氢能已成为当前可再生能源领域的研究热点之一。基于本多-藤岛效应原理孕育而生的太阳能光催化技术为解决上述挑战提供了可行的途径，太阳能驱动的光催化和光电催化制氢技术研究得到了快速发展。

     近日，本刊第三期专辑“光催化：从太阳能到风能”已正式上线出版，特邀上官文峰教授（上海交通大学）、工藤昭彦教授（东京理科大学），江治副教授（上海交通大学）、山口友一助理教授（东京理科大学）担任本专辑的客座编辑。

     本专辑精选了来自中国、日本、美国、德国、法国、澳大利亚、韩国、泰国等作者的19篇文章，其中8篇特邀评述论文阐述了金属阳离子取代法设计可见光响应型光催化剂、聚合物光催化剂、水凝胶光催化剂、层状碱钛酸盐和光电化学分解水系统以及光阳极的设计方面的研究进展，另外的11篇研究论文介绍了新型光催化剂、光电极以及太阳能驱动光催化反应器优化设计相关的实验和理论成果。

     为了推动太阳能驱动光催化制氢的产业化进程，开发在太阳光照下高效分解水的可见光响应型光催化剂刻不容缓。东京理科大学工藤昭彦（Akihiko KUDO）教授及其合作者综述了合成可见光响应型光催化剂的研究进展，其中包括通过Rh、Ir等金属离子掺杂调控光催化剂价带结构以及采用熔融盐处理和固溶策略在各种金属氧化物中（Ag(I)和Cu(I)）交换碱金属离子，特别介绍了SrTiO₃:Rh、IrO_x/SrTiO₃:Rh、Sb、 CuLi_1/3Ti_1/3O₂、Cu(I)-K₂SrTa₂O₇以及Cu₃Nb_0.9V_0.1S₄首次成功案例。作者进一步指出，虽然文献所报道的宽波长响应型光催化剂数量有所增加，但是具有高量子效率的光催化剂的数量仍然十分有限。因此，在未来的研究中需要制定明确的策略，从而实现高量子效率的光催化剂的开发和设计。

     光催化粉末颗粒需要与周围介质良好接触才能发挥其高效的光催化性能。然而，由于纳米尺寸的光催化剂难以从反应介质中有效分离，这会造成二次污染并且降低循环使用寿命。东京理科大学藤岛昭（Akira FUJISHIMA）教授/寺島千晶（Chiaki TERASHIMA）教授团队及其合作者综述了用于高效氢能转化以及环境处理的新颖水凝胶光催化剂的技术现状（https://mp.weixin.qq.com/s/m-H2na9k3sdIrNWqQQ6Ang）。他们认为，三维网状结构的水凝胶光催化剂得益于其高比表面积、优异的吸附能力以及良好的环境兼容性，是目前极具发展前景的载体材料。他们还指出，通过对水凝胶组分的内在特性进行深入研究以及对凝胶网状结构、溶胀特性和吸附特性进行调节，将为实现光催化凝胶的高效且可持续回收提供有效途径，从而克服现有水凝胶光催化剂的缺点。

     华东理工大学张金龙教授及其合作者报道了另一种解决上述挑战的方案（https://mp.weixin.qq.com/s/S2ETLRPMrRK5h2-k73iShQ）。他们采用两步法制备了以碳布为载体的直接Z型CdS/WO₃复合光催化剂。在碳布的辅助作用下，光催化剂均匀地生长在其表面。实验结果表明，与单纯CdS负载的碳布相比，CdS/WO₃复合材料的产氢性能是其5.5倍。这项工作为可回收型光催化剂的开发提供了另一个新思路，对其实际应用技术开发具有积极意义。

     光电化学（PEC）分解水被认为是太阳能制氢另一种具有发展前景的方式。PEC工艺是基于一体式光电极，即在同一组件上同时发生光吸收和水电解。与此同时，光伏-电催化（PV-EC）工艺中光伏和电催化模块是相互独立的，二者分别实现太阳能到电能的转化以及水分解的过程。澳大利亚昆士兰大学王连洲教授及其合作者从效率、成本和稳定性三方面对PEC和PV-EC进行了比较，他们认为PEC应以廉价半导体为基础，以提高太阳能转化为氢能的效率为目标，从而保持其在可持续制氢技术竞争中的地位。

     此外，流动特性和辐照分布是影响太阳能光催化反应器工程性能的另一个重要因素。西安交通大学赵亮教授及其合作者基于混合流动模型建立了优化的六通量模型并将其应用于管式太阳能光催化反应器（https://mp.weixin.qq.com/s/dJ1QdcHffBrLddPiZyM55A）。他们发现催化剂浓度和循环速度等参数会影响反应器出口处的辐照分布，优化后的六通量模型在更高的催化剂浓度和更低的速度下具有更好的性能。这项工作为太阳光能光催化制氢的工程应用提供了坚实的理论指导和技术支持。

Table of Contents

Editorial

Photocatalysis: from solar light to hydrogen energy

Wenfeng SHANGGUAN, Akihiko KUDO, Zhi JIANG, Yuichi YAMAGUCHI

Reviews

NO.1 

Visible light responsive photocatalysts developed by substitution with metal cations aiming at artificial photosynthesis

Yuichi YAMAGUCHI, Akihiko KUDO

NO.2 

Hydrogel photocatalysts for efficient energy conversion and environmental treatment

Wenwei LEI, Norihiro SUZUKI, Chiaki TERASHIMA, Akira FUJISHIMA

NO.3 

Revisiting solar hydrogen production through photovoltaic-electrocatalytic and photoelectrochemical water splitting

Zhiliang WANG, Yuang GU, Lianzhou WANG

NO.4

State-of-the-art progress in overall water splitting of carbon nitride based photocatalysts

Bing LUO, Yuxin ZHAO, Dengwei JING

NO.5 

A mini-review of ferrites-based photocatalyst on application of hydrogen production

Haoxuan MA, Chunli LIU

NO.6

Layered alkali titanates (A₂TinO_2n+1): possible uses for energy/environment issues

Taya (Ko) SAOTHAYANUN, Thipwipa (Tip) SIRINAKORN, Makoto OGAWA

NO.7

Research progress of defect-engineered UiO-66(Zr) MOFs for photocatalytic hydrogen production

Yating WANG, Chaosheng PENG, Tao JIANG, Xingang LI

NO.8

Organic conjugated polymers and polymer dots as photocatalysts for hydrogen production

Saket MATHUR, Benjamin ROGERS, Wei WEI

Research articles

NO.1 

Z-scheme CdS/WO₃ on a carbon cloth enabling effective hydrogen evolution

Zehong XU, Qiaohong ZHU, Xinguo XI, Mingyang XING, Jinlong ZHANG

NO.2

Theoretical study on flow and radiation in tubular solar photocatalytic reactor

Qingyu WEI, Yao WANG, Bin DAI, Yan YANG, Haijun LIU, Huaijie YUAN, Dengwei JING, Liang ZHAO

NO.3 

Enhanced photocatalytic water splitting with surface defective SrTiO₃ nanocrystals

Junying LIU, Zhidong WEI, Wenfeng SHANGGUAN

NO.4 

Generation of enhanced stability of SnO/In(OH)₃/InP for photocatalytic water splitting by SnO protection layer

Jiali DONG, Xuqiang ZHANG, Gongxuan LU, Chengwei WANG

NO.5 

In situ grown TiN/N-TiO₂ composite for enhanced photocatalytic H₂ evolution activity

Dong LIU, Zhuqing YAN, Peng ZENG, Haoran LIU, Tianyou PENG, Renjie LI

NO.6

Interfacial charge transfer and photocatalytic activity in a reverse designed Bi₂O₃/TiO₂ core-shell

Sabina Ait ABDELKADER, Zhenpeng CUI, Abdelghani LAACHACHI, Christophe COLBEAU-JUSTIN, Mohamed Nawfal GHAZZAL

NO.7 

Photoelectrocatalytic generation of H₂ and S from toxic H₂S by using a novel BiOI/WO₃ nanoflake array photoanode

Jing BAI, Bo ZHANG, Jinhua LI, Baoxue ZHOU

NO.8 

In situ growth of a-few-layered MoS₂ on CdS nanorod for high efficient photocatalytic H₂ production

Wei CHEN, Xiang LIU, Shaojie WEI, Qianqian HENG, Binfen WANG, Shilong LIU, Li GAO, Liqun MAO

NO.9 

Enhanced performance of NiF₂/BiVO₄ photoanode for photoelectrochemical water splitting

Ziwei ZHAO, Kaiyi CHEN, Jingwei HUANG, Lei WANG, Houde SHE, Qizhao WANG

NO.10

Enhancing the photoelectrochemical performance of p-silicon through TiO₂ coating decorated with mesoporous MoS₂

Hongmei WU, Feng LI, Yanqi YUAN, Jing LIU, Liping ZHAO, Peng ZHANG, Lian GAO

NO.11 

Spontaneous polarization enhanced bismuth ferrate photoelectrode: fabrication and boosted photoelectrochemical water splitting property

Yan ZHANG, Yukun ZHU, Yanhua PENG, Xiaolong YANG, Jian LIU, Wei JIAO, Jianqiang YU

客座编辑简介

上官文峰（Wenfeng SHANGGUAN）：上海交通大学特聘教授，长期从事光催化和环境催化研究，发表学术论文280多篇，获授权发明专利20余项，出版中英文专著译著及教材6部，入围“中国高被引学者”榜单，获上海市自然科学一等奖、宝钢教育基金会“优秀教师奖”等，享受国务院政府特殊津贴。

工藤昭彦（Akihiko KUDO）：东京理科大学教授，长期从事光催化/光电催化分解水、人工光合成固定二氧化碳等研究，发表290余篇国际学术期刊论文，入围“全球高被引科学家”榜单，获日本文部科学大臣“科学技术奖”、日本触媒学会奖等奖项。

江治（Zhi JIANG）: 上海交通大学副教授，长期从事光催化、同步辐射先进表征研究，发表论文50余篇，主持国家自然科学基金项目三项，获上海市自然科学一等奖（排第三），出版中英文专著及教材2部。

山口友一（Yuichi YAMAGUCHI）：东京理科大学博士，英国利物浦大学博士后，现任东京理科大学助理教授，从事光催化分解水和二氧化碳转化研究，发表国际期刊学术论文15篇。

Frontiers in Energy （SCI，2020 IF 2.709）)于2007年创刊，是能源领域综合性英文学术期刊。涉及领域包括（不限于）：先进的能源材料；能源化学；储能与应用；氢能与燃料电池；二氧化碳捕获、储存和利用；太阳能和光伏系统；生物能源；地热能；先进的风能、波浪能、潮汐能技术；先进的核能技术；智能电网和微电网、电力和能源系统；动力电池和电动汽车；传热传质；制冷与低温；能源和建筑；清洁燃烧技术；能源经济与政策；能源与环境等。

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