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摘 要：研究小组通过用绝缘体氧化物和聚合物修饰染料敏化光催化剂，成功提升了光催化反应的效率，使太阳能水解制氢的效率达到了以往的约100倍。高光催化能力得以实现，是由于采用了绝缘体氧化铝和阴离子聚苯乙烯磺酸聚合物对染料敏化光催化剂进行了表面修饰，从而抑制了逆反应的进行，而逆反应会在很大程度上影响水解效率。通过采用本次新开发的催化剂，达成了与绿色植物光合作用相当的太阳能转化效率。本研究利用染料敏化光催化剂进行太阳能制氢，取得了国际顶级的性能提升，并为染料敏化光催化剂用于氢气转化装置提供了可能性。
关键字：染料敏化光催化剂、太阳能水解制氢、光催化反应、染料敏化制氢、表面修饰
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对染料敏化光催化剂进行表面修饰后，可将水解反应的效率提升至以往的约100倍。
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水解反应效率的提升是由于阻碍反应进行的逆反应得到了抑制。
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实现与绿色植物光合作用相当的太阳能转化效率。
进行表面修饰后吸附了钌络合物的HCa2Nb3O10纳米片，在该纳米片上制氢的设计概念图。
光催化反应，即利用太阳能将水分解为氢气和氧气，作为一种具有潜力的能源转化方法，引起了人们的广泛关注。特别是，如果能有效利用约占太阳光一半的可见光，就能够以清洁的方法获取大量氢能。但这种方式最大的问题在于，可见光的能量较低，如果使用普通光催化剂，水解反应的速度会很慢。针对这一问题，研究得到的解决方案之一便是染料敏化光催化反应，即让光催化剂表面吸附能够吸收可见光的染料分子，从而利用染料所吸收的可见光能。研究小组此前构建了一个水解反应系统，将钌络合物作为染料分子吸附在氧化物纳米片光催化剂HCa2Nb3O10上，制成染料敏化制氢光催化剂，并将其与氧化钨系制氧光催化剂相结合。研究发现，在碘系电子传递剂（I3/I）的存在下，水可以被可见光完全分解为氢和氧。
在利用两个光催化剂和一个电子转移剂的Z型光催化系统中，电子传递剂被制氧系统还原，同时又被制氢系统氧化，通过这种方式负责在两种光催化剂之间进行电子传递（图1）。在该反应系统中，由可见光激发的电子（e–）在用于制氢之前，会与钌染料和电子传递剂发生反应（逆反应，图1虚线），而逆反应会导致制氢效率降低。研究小组此前已经开发出了防止电子与钌发生逆反应（图1黑色虚线）的方法，但尚未开发出防止其与电子传递剂发生逆反应（图1红色虚线）的方法。