化石能源的过度开发利用造成了环境污染、气候变化等严重问题。 开发利用可再生清洁能源势在必行。 氢能以其能量密度高、储运方便、无污染等优点被公认为世界上最好的能源载体之一。 虽然许多一次能源都可以转化为氢能，但太阳能是最丰富、最清洁的一次能源。 因此，如何高效地将太阳能转化为氢能成为当前可再生能源领域的研究热点之一。 基于本田-富士岛效应原理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迅速发展。
近日，中国工程院院刊《能源前沿》2021年第三期《光催化：从太阳能到风能》正式在线出版。 特邀上官文峰教授（上海交通大学）、工藤明彦教授（东京理科大学）、蒋志副教授（上海交通大学）、山口佑一助理教授（东京理科大学）担任客座编辑这张专辑的。
本专辑精选了中国、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篇特邀综述论文描述了利用金属阳离子取代方法设计可见光响应光催化剂和聚合物。 光催化剂、水凝胶光催化剂、层状碱金属钛酸盐以及光电化学水分解系统和光阳极设计方面的研究进展，另有11篇研究论文介绍了新型光催化剂、光电极和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。
为了推动太阳能光催化制氢的产业化进程，迫切需要开发能够在阳光下高效分解水的可见光响应型光催化剂。 东京理科大学Akihiko KUDO教授及其合作者回顾了合成可见光响应光催化剂的研究进展，包括通过掺杂Rh、Ir等金属离子来调控光催化剂的价带结构，以及采用熔盐处理和固化等。 交换各种金属氧化物（Ag(I) 和 Cu(I)）中碱金属离子的溶剂策略，特别是 SrTiO3:Rh、IrOx/SrTiO3:Rh、Sb、CuLi1/3Ti1/3O2、Cu(I) - 首次成功K2SrTa2O7 和 Cu3Nb0.9V0.1S4 的情况。 作者进一步指出，虽然文献报道的宽波长响应光催化剂的数量有所增加，但具有高量子效率的光催化剂的数量仍然非常有限。 因此，未来的研究需要明确的策略来实现高量子效率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，由于纳米级光催化剂难以与反应介质有效分离，这会造成二次污染并降低循环寿命。 东京理科大学Akira FUJISHIMA/Chiaki TERASHIMA教授团队回顾了用于高效氢能转换和环境处理的新型水凝胶光催化剂的技术现状。 他们认为，具有三维网络结构的水凝胶光催化剂得益于其高比表面积、优异的吸附能力和良好的环境相容性，是目前很有前景的载体材料。 他们还指出，深入研究水凝胶组分的内在性质以及凝胶网络结构、溶胀特性和吸附特性的调整，将为实现光催化凝胶的高效、可持续回收提供有效途径。 这克服了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告了针对上述挑战的另一种解决方案。 他们采用两步法以碳布为载体直接制备了Z型CdS/WO3复合光催化剂。 在碳布的帮助下，光触媒在其表面均匀生长。 实验结果表明，与单独负载CdS的碳布相比，CdS/WO3复合材料的产氢性能提高了5.5倍。 该工作为可回收光催化剂的开发提供了又一新思路，对于实际应用技术的发展具有积极意义。
光电化学（PEC）水分解被认为是太阳能制氢的另一种有前景的方法。 PEC 工艺基于集成光电极，其中光吸收和水电解同时发生在同一组件上。 同时，光伏-电催化（PV-EC）过程中的光伏和电催化模块是相互独立的。 它们分别实现了太阳能转化为电能和水分解的过程。 澳大利亚昆士兰大学王连舟教授及其合作者从效率、成本和稳定性三个方面对PEC和PV-EC进行了比较。 他们认为PEC应该以廉价半导体为基础，旨在提高太阳能转化为氢能的效率。 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流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。 他们发现催化剂浓度和循环速度等参数影响反应器出口处的辐照分布，优化后的六通量模型在较高催化剂浓度和较低速度下具有更好的性能。 该工作为太阳能光催化制氢的工程化应用提供了坚实的理论指导和技术支撑。
目录
社论
光催化：从太阳光到氢能
上官文峰、工藤明彦、蒋志、山口雄一
评论
NO.1
通过金属阳离子取代而开发的可见光响应光催化剂，旨在实现人工光合作用
山口雄一、工藤明彦
NO.2
用于高效能量转换和环境处理的水凝胶光催化剂
雷文伟、铃木典宏、寺岛千秋、藤岛彰
NO.3
重新审视通过光伏电催化和光电化学水分解太阳能制氢
王志良、顾元、王连舟
NO.4
氮化碳基光催化剂整体水分解的最新进展
罗冰、赵雨欣、景登伟
NO.5
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马浩轩、刘春丽
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Taya (Ko) SAOTHAYANUN、Thipwipa (Tip) SIRINAKORN、Makoto OGAWA
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张艳, 朱玉琨, 彭艳华, 杨小龙, 刘健, 焦伟, 于建强
客座编辑简介
上官文峰：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余篇，获得授权发明专利20余项，出版中英文专着和教材6部，并入围。 “中国高被引学者”名单，荣获上海市自然科学奖一等奖、宝钢教育基金会“优秀教师奖”等，并享受国务院政府特殊津贴。
工藤明彦：东京理科大学教授。 长期从事光催化/光电催化分解水和固定二氧化碳人工光合作用研究。 在国际学术期刊发表论文290余篇，入围“全球高被引科学家”名单。 荣获文部科学大臣颁发的“科学技术奖”、日本催化剂学会奖等奖项。
江志：上海交通大学副教授。 长期从事光催化和同步辐射的先进表征研究。 发表论文50余篇，主持国家自然科学基金项目3项，获上海市自然科学奖一等奖一项（排名第三），出版中英文专着和教材2部。
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，从事光催化水分解和二氧化碳转化研究，在国际期刊发表学术论文15篇。
FIE能源前沿期刊简介
Frontiers in Energy（SCI，2020 IF 2.709））创刊于2007年，是能源领域综合性英文学术期刊，中国工程院系列期刊之一。 主编为翁世烈院士、倪维斗院士、苏一闹院士、彭苏平院士。 执行主编为上海交通大学黄震院士。 发表能源领域的原创研究论文、评论、科学通报、专着等。 特别关注可再生能源、未来能源、超传统能源、2030能源、微纳能源、能源与环境等全球重大能源挑战。
涵盖领域包括（但不限于）：先进能源材料； 能源化学； 能源储存及应用； 氢能源和燃料电池； 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； 动力电池及电动汽车； 传热传质； 制冷和低温学； 能源和建筑； 清洁燃烧技术； 能源经济和政策； 能源、环境等
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