化石能源的過度開發和利用造成了環境汙染和氣候變化等嚴重問題，開發和利用可再生清潔能源勢在必行。氫能因其能量密度高、儲運方便以及無汙染等特點，被公認為是世界上最優異的能源載體之一。雖然許多一次能源都可以轉化為氫能，但是太陽能是其中儲量最豐富且清潔的一次能源。因此，如何將太陽能高效轉化為氫能已成為當前可再生能源領域的研究熱點之一。基於本多-藤島效應原理孕育而生的太陽能光催化技術為解決上述挑戰提供了可行的途徑，太陽能驅動的光催化和光電催化制氫技術研究得到了快速發展。
近日，中國工程院院刊《Frontiers in Energy》2021年第3期專輯“光催化：從太陽能到風能”已正式上線出版，特邀上官文峰教授（上海交通大學）、工藤昭彥教授（東京理科大學），江治副教授（上海交通大學）、山口友一助理教授（東京理科大學）擔任本專輯的客座編輯。
本專輯精選了來自中國、日本、美國、德國、法國、澳大利亞、韓國、泰國等作者的19篇文章，其中8篇特邀評述論文闡述了金屬陽離子取代法設計可見光響應型光催化劑、聚合物光催化劑、水凝膠光催化劑、層狀鹼鈦酸鹽和光電化學分解水系統以及光陽極的設計方面的研究進展，另外的11篇研究論文介紹了新型光催化劑、光電極以及太陽能驅動光催化反應器最佳化設計相關的實驗和理論成果。
為了推動太陽能驅動光催化制氫的產業化程序，開發在太陽光照下高效分解水的可見光響應型光催化劑刻不容緩。東京理科大學工藤昭彥（Akihiko KUDO）教授及其合作者綜述了合成可見光響應型光催化劑的研究進展，其中包括透過Rh、Ir等金屬離子摻雜調控光催化劑價帶結構以及採用熔融鹽處理和固溶策略在各種金屬氧化物中（Ag(I)和Cu(I)）交換鹼金屬離子，特別介紹了SrTiO3:Rh、IrOx/SrTiO3:Rh、Sb、 CuLi1/3Ti1/3O2、Cu(I)-K2SrTa2O7以及Cu3Nb0.9V0.1S4首次成功案例。作者進一步指出，雖然文獻所報道的寬波長響應型光催化劑數量有所增加，但是具有高量子效率的光催化劑的數量仍然十分有限。因此，在未來的研究中需要制定明確的策略，從而實現高量子效率的光催化劑的開發和設計。
光催化粉末顆粒需要與周圍介質良好接觸才能發揮其高效的光催化效能。然而，由於奈米尺寸的光催化劑難以從反應介質中有效分離，這會造成二次汙染並且降低迴圈使用壽命。東京理科大學藤島昭（Akira FUJISHIMA）教授/寺島千晶（Chiaki TERASHIMA）教授團隊綜述了用於高效氫能轉化以及環境處理的新穎水凝膠光催化劑的技術現狀。他們認為，三維網狀結構的水凝膠光催化劑得益於其高比表面積、優異的吸附能力以及良好的環境相容性，是目前極具發展前景的載體材料。他們還指出，透過對水凝膠組分的內在特性進行深入研究以及對凝膠網狀結構、溶脹特性和吸附特性進行調節，將為實現光催化凝膠的高效且可持續回收提供有效途徑，從而克服現有水凝膠光催化劑的缺點。
華東理工大學張金龍教授及其合作者報道了另一種解決上述挑戰的方案。他們採用兩步法制備了以碳布為載體的直接Z型CdS/WO3複合光催化劑。在碳布的輔助作用下，光催化劑均勻地生長在其表面。實驗結果表明，與單純CdS負載的碳布相比，CdS/WO3複合材料的產氫效能是其5.5倍。這項工作為可回收型光催化劑的開發提供了另一個新思路，對其實際應用技術開發具有積極意義。
光電化學（PEC）分解水被認為是太陽能制氫另一種具有發展前景的方式。PEC工藝是基於一體式光電極，即在同一組件上同時發生光吸收和水電解。與此同時，光伏-電催化（PV-EC）工藝中光伏和電催化模組是相互獨立的，二者分別實現太陽能到電能的轉化以及水分解的過程。澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授及其合作者從效率、成本和穩定性三方面對PEC和PV-EC進行了比較，他們認為PEC應以廉價半導體為基礎，以提高太陽能轉化為氫能的效率為目標，從而保持其在可持續制氫技術競爭中的地位。
此外，流動特性和輻照分佈是影響太陽能光催化反應器工程效能的另一個重要因素。西安交通大學趙亮教授及其合作者基於混合流動模型建立了最佳化的六通量模型並將其應用於管式太陽能光催化反應器。他們發現催化劑濃度和迴圈速度等引數會影響反應器出口處的輻照分佈，最佳化後的六通量模型在更高的催化劑濃度和更低的速度下具有更好的效能。這項工作為太陽光能光催化制氫的工程應用提供了堅實的理論指導和技術支援。
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 (A2TinO2n+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/WO3on 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 situgrown TiN/N-TiO2composite for enhanced photocatalytic H2evolution 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/TiO2core-shell
Sabina Ait ABDELKADER, Zhenpeng CUI, Abdelghani LAACHACHI, Christophe COLBEAU-JUSTIN, Mohamed Nawfal GHAZZAL
NO.7
Photoelectrocatalytic generation of H2and S from toxic H2S by using a novel BiOI/WO3nanoflake array photoanode
Jing BAI, Bo ZHANG, Jinhua LI, Baoxue ZHOU
NO.8
In situgrowth of a-few-layered MoS2on CdS nanorod for high efficient photocatalytic H2production
Wei CHEN, Xiang LIU, Shaojie WEI, Qianqian HENG, Binfen WANG, Shilong LIU, Li GAO, Liqun MAO
NO.9
Enhanced performance of NiF2/BiVO4photoanode 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 TiO2coating 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
客座編輯簡介
上官文峰（Wenfeng SHANGGUAN）：上海交通大學特聘教授，長期從事光催化和環境催化研究，發表學術論文280多篇，獲授權發明專利20餘項，出版中英文專著譯著及教材6部，入圍“中國高被引學者”榜單，獲上海市自然科學一等獎、寶鋼教育基金會“優秀教師獎”等，享受國務院政府特殊津貼。
工藤昭彥（Akihiko KUDO）：東京理科大學教授，長期從事光催化/光電催化分解水、人工光合成固定二氧化碳等研究，發表290
餘篇國際學術期刊論文，入圍“全球高被引科學家”榜單，獲日本文部科學大臣“科學技術獎”、日本觸媒學會獎等獎項。
江治（Zhi JIANG）: 上海交通大學副教授，長期從事光催化、同步輻射先進表徵研究，發表論文50餘篇，主持國家自然科學基金專案三項，獲上海市自然科學一等獎（排第三），出版中英文專著及教材2部。
山口友一（Yuichi YAMAGUCHI）：東京理科大學博士，英國利物浦大學博士後，現任東京理科大學助理教授，從事光催化分解水和二氧化碳轉化研究，發表國際期刊學術論文15篇。
FIE能源前沿期刊介紹
Frontiers in Energy （SCI，2020 IF 2.709）)於2007年創刊，是能源領域綜合性英文學術期刊，中國工程院院刊系列之一。主編是翁史烈院士、倪維斗院士、蘇義腦院士和彭蘇萍院士。執行主編是上海交通大學黃震院士。出版能源領域原創研究論文、綜述、科學快報、專題論文等。特別關注可再生能源、未來能源、超常規能源、2030能源、微/奈米能源、能源與環境等全球能源的重大挑戰問題。
涉及領域包括（不限於）：先進的能源材料；能源化學；儲能與應用；氫能與燃料電池；二氧化碳捕獲、儲存和利用；太陽能和光伏系統；生物能源；地熱能；先進的風能、波浪能、潮汐能技術；先進的核能技術；智慧電網和微電網、電力和能源系統；動力電池和電動汽車；傳熱傳質；製冷與低溫；能源和建築；清潔燃燒技術；能源經濟與政策；能源與環境等。
- 國際化的編委會隊伍
- 國際化的投審稿平臺和傳播平臺
- 高度重視學術質量，嚴格同行評議
- 不限文章長度，無版面費，免費語言潤色
- 線上優先出版，論文快速進入SCI資料庫
線上瀏覽：
http://journal.hep.com.cn/fie（國內免費開放）
https://link.springer.com/journal/11708
http://www.engineering.org.cn/en/journal/FIE
線上投稿：
https://mc.manuscriptcentral.com/fie
聯絡我們：
[email protected], (86) 21-62933795
[email protected], (86) 10-58556482
文章來源於FIE能源前沿期刊
說明：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。
