在未来，我们可以用阳光和水为世界提供燃料——利用阳光从水中提取氢燃料。目前，大多数用作原料和燃料的氢都来自天然气，因此不能帮助我们减少化石燃料。
但日本科学家正在引领未来氢能源的发展，他们发明了新的、易于制造的光催化片和一个概念验证型面板反应器，这表明从水中大规模提炼氢燃料是可能的。
信州大学的Kazunari Domen教授说：“使用光催化剂进行阳光驱动的水分解是太阳能到化学能转换和储存的理想技术，光催化材料和系统的最新发展为实现这一目标带来了希望。”他是《科学前沿》杂志上这篇文章的资深作者。“然而，仍然存在许多挑战。”
为了利用阳光将水分解成氧气和氢气，我们需要光催化剂。在光照下，这些催化剂促进了分解水的化学反应。在一步激发系统中，光催化剂将水分解成氢和氧。这些系统简单但效率低下，太阳能到氢能源的转化率非常低。
目前更有效的是两步激发系统，其中一个光催化剂从水中产生氢，另一个从水中产生氧。
“显然，太阳能转换技术无法在夜间或恶劣天气下运行，”该研究的第一作者、信州大学的久井隆（Takashi Hisatomi）博士说。“但是通过将阳光的能量储存为燃料材料的化学能，可以随时随地使用这种能量。”
这些系统具有更高的太阳能到氢能源的转化率，但它们还没有准备好投入使用。我们需要确定最有效和可持续的光催化剂，它必须足够坚固，能够承受每天的启动和关闭操作，因为太阳升起和落下。
我们还需要尽可能地提高转化的效率，使反应堆所需的物理空间最小化，并使反应堆具有成本效益——目前，使用天然气提炼氢燃料仍然更便宜。
另一个问题是，许多分解氧和氢的方法会产生氢氧，这是高度爆炸性的。这种风险可以通过分别生产氧气和氢气来消除，或者通过使用Domen和Hisatomi团队确定的设计标准来管理。
通过对氢氧的实验，他们确定，如果在一个小而窄的隔间里点燃这种气体，它不会爆炸。材料也很重要：如果氢氧点燃，软PVC塑料不会发生破坏性爆炸。
Domen和Hisatomi的团队已经制作了一个成功的概念验证，运行了一个100平方米的反应堆三年。这个反应器在现实世界的阳光下甚至比在实验室条件下表现得更好。
Hisatomi说：“在我们的系统中，使用一种对紫外线敏感的光催化剂，太阳能转换效率在自然阳光下提高了1.5倍。”
“模拟标准阳光使用的光谱来自纬度稍高的地区。在自然阳光比模拟参考阳光具有更多短波长的区域，太阳能转换效率可能更高。然而，目前在模拟标准阳光下的效率最多为1%，而在自然阳光下则达不到5%。”
为了推动这项技术的发展，打破5%的障碍，研究小组表示，需要更多的研究人员开发更高效的光催化剂，并建造更大的实验反应堆。需要更多的真实世界的实验来发展这项技术，使氢成为可行的燃料选择。
作为其中的一部分，该团队强调需要制定安全法规和效率标准。认证机构和许可将有助于确保技术的安全发展，而确定效率的标准化方法将有助于确定最有效的系统。
“开发最重要的方面是通过光催化剂将太阳能转化为化学能的效率，”多门解释说。
“如果提高到实用水平，许多研究人员将认真研究大规模生产技术和气体分离工艺的发展，以及大规模工厂的建设。这也将改变包括政策制定者在内的许多人对太阳能转换的看法，并加速与太阳能燃料相关的基础设施、法律和法规的发展。”
