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Particulate Photocatalysts for Light-Driven Water Splitting: Mechanisms, Challenges, and Design Strategies

分解水 光催化 化学 纳米技术 制氢 太阳能 能量载体 载流子 氢燃料 化石燃料 人工光合作用 光催化分解水 化学能 材料科学 光电子学 催化作用 生物 有机化学 生物化学 生态学
作者
Qian Wang,Kazunari Domen
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
卷期号:120 (2): 919-985 被引量:2809
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00201
摘要

Solar-driven water splitting provides a leading approach to store the abundant yet intermittent solar energy and produce hydrogen as a clean and sustainable energy carrier. A straightforward route to light-driven water splitting is to apply self-supported particulate photocatalysts, which is expected to allow solar hydrogen to be competitive with fossil-fuel-derived hydrogen on a levelized cost basis. More importantly, the powder-based systems can lend themselves to making functional panels on a large scale while retaining the intrinsic activity of the photocatalyst. However, all attempts to generate hydrogen via powder-based solar water-splitting systems to date have unfortunately fallen short of the efficiency values required for practical applications. Photocatalysis on photocatalyst particles involves three sequential steps: (i) absorption of photons with higher energies than the bandgap of the photocatalysts, leading to the excitation of electron-hole pairs in the particles, (ii) charge separation and migration of these photoexcited carriers, and (iii) surface chemical reactions based on these carriers. In this review, we focus on the challenges of each step and summarize material design strategies to overcome the obstacles and limitations. This review illustrates that it is possible to employ the fundamental principles underlying photosynthesis and the tools of chemical and materials science to design and prepare photocatalysts for overall water splitting.
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