光解水-光催化水分解（jiě）製氫（qīng）反應
  70年代（dài）初，Fujishima和Hond成功地利用TiO2進行（háng）光電解水製氫實驗（yàn），並把光能（néng）轉換為化學能而被（bèi）儲存起來，該實驗（yàn）成為光電化學發展史上的一個裏（lǐ）程碑，並使人們（men）認識到TiO2在光電化學電池領域中是比較重要的半導體材料。由於所使用的單晶TiO2半導體材料在成本、強度及製氫效率上的限製，該種（zhǒng）方法在以後的一段時間內並沒有得到很大的發展，更談不上走向實用化。進入80年（nián）代，化學光電轉換研究的重（chóng）點轉向人工模擬光合作用，除了自（zì）然界光合（hé）作用的模擬實驗研究以（yǐ）外，還研究光能—化學能（光解水、光固氮、光固二氧化氮）和光電轉換等應用研究（jiū），取得了一定的成績。在太陽光中，波長為400 nm以下（xià）的紫外光和800 nm以上的紅外光占（zhàn）的比（bǐ）例都很少，而波長為400~800 nm的可（kě）見光能量占到整個太陽能的43 %左右。從理論上說，照到地球表麵的太陽能每年有（yǒu）3 1024 J/年，這相當於全（quán）世界每年（nián）能源消耗總量的一萬倍和全世界（jiè）化石能源總量的1/10。因此，怎（zěn）樣提高太陽光中的可見光利（lì）用率成為這一研究（jiū）最（zuì）大的關鍵點。
 
光解水（shuǐ）-光催化分解水製氫基本原理
  通常光催化反應分為兩大類，上坡反應和下坡反應，如圖1所示。上坡反應（uphill）必須有光子提供能量才（cái）能進行，如光催化分（fèn）解水和（hé）植物的光（guāng）合作（zuò）用。下（xià）坡反應（downhill）是能量釋放的過（guò）程，如光催化降解有（yǒu）機（jī）物（wù）。
 圖（tú）1 光解水-光催化反應的分類示意圖
 
  光降解水製氫氣指用光催化（huà）分解水製取氫。催化分解水製氫過程可分成光化學電池分解水（shuǐ）製氫、半導（dǎo）體微顆粒催化劑（jì）的光催化分解水製（zhì）氫和絡合催化法光解水製氫（qīng）。因為光直接分解水需要高能量的光（guāng）量（liàng）子（波長小於190 nm），從太陽輻射到地球表麵（miàn）的光不能直接（jiē）使水分解，所以（yǐ）隻能依賴光催化（huà）反應過（guò）程。光催化是含有催化劑的反應體係，在（zài）光照下，激發催化劑或（huò）激發（fā）催化劑與反應物形成的絡合物而加速反應進行的一種作用。當催化劑和（hé）光不存在時，該（gāi）反（fǎn）應進行緩慢或不進行（háng）。
  光催化（huà）劑（jì）是光催化製氫反應的基體，一般為半（bàn）導體化合物。其光（guāng）催化（huà）反應原理可用半導體的能帶理論來解釋（shì）。與金（jīn）屬相比，半導體的能帶是不連續的，在價帶（VB）和導帶（CB）之間（jiān）存在（zài）一個禁帶。當它受到（dào）光子能量等於或（huò）高於該禁帶寬（kuān）度的光輻（fú）照時，其價帶上的電子（e-）就會受激發躍遷至導帶，同時在（zài）價帶上（shàng）產（chǎn）生相應的（de）空穴（h+），形成了電子—空穴對。產生的電子、空穴在（zài）內部電場作用下分離並遷移到粒子表麵。光（guāng）生空（kōng）穴有很強的得（dé）電子能力（lì），具有強氧化性，可奪取半導體顆粒表麵被吸附物質或溶劑中（zhōng）的電子，使原本不吸（xī）收光的物質被氧化，電子受體則（zé）通過接受表麵的電子而被還原，完成光催化（huà）反應過（guò）程，如圖2所示。
 

圖2 光解水（shuǐ）-多相光催化劑上完全分（fèn）解（jiě）水的基本原理（lǐ）
 
光解水-光催化分解水製氫的過程
  整個光（guāng）催化分解水的過程如圖3所示：
  （1） 半導體光催化劑吸收能量足夠大的光（guāng）子，產（chǎn）生電子—空穴對；
  （2）電子—空（kōng）穴對分離，向半導體光催化劑表麵移動；
  （3）電子與水反應產生氫氣；
  （4）空穴與（yǔ）水反應產生氧氣；
  （5）部分電子與空穴複合，產生（shēng）熱或光。

圖3 光解水-光催化分解水的基本過程模型[2]
 
  導帶的電子和價帶的空穴可以在很短時間內在光催化劑內部或表麵（miàn）複合，以熱或光的形式將能量釋放。因此加速電子—空穴對的分離，減少電子與空穴的複合，對提高光催（cuī）化反應的（de）效率有很大的作用。