如果你看到有人把一些白色粉末扔进水里，不用电，也不用加热或消耗其他能源，就凭太阳光或LED光源照射，水就能源源不断分解成氢气和氧气。你信吗？更令人惊奇的是，即使经过几百个小时的实验，这种白色粉末的量并没有减少，只要有水和光照，氢气就能持续不断产生。

其实，光照分解水制取氢气，并不是什么新鲜事。早在1972年，日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授就首次发现，用二氧化钛作催化剂，太阳光照下，水会分解产生氢气这一现象。在这种现象之中，作为催化剂的半导体（半导体的金属氧化物，二氧化钛是常见的催化剂）起到非常关键的作用。

光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。

其基本过程如下：

①光催化剂材料吸收一定能量的光子以后，产生电子和空穴对；

②电子空穴对分离，向光催化剂表面移动；

③迁移到半导体表面的电子与水反应产生氢气；

④迁移到半导体表面的空穴与水反应产生氧气；

⑤部分电子和空穴复合，转化成对产氢无意义的热能或荧光。

但是从1972年至今，50年过去了，光分解水一直只是停留在实验室之中，远远还没有达到工业生产的地步，主要是因为还有三大难题没有解决：

制氢效率低下，远远没有达到10%的临界线；

催化剂容易发生光腐蚀现象，很快失去活性，这使得生产催化剂的成本非常高昂，基本没有实用意义；

只有在紫外光照射下才会产生氢气。

效率低下一个主要原因是，由于电子带负电，空穴带正电，异性相吸，这使得“电子—空穴”很容易复合，导致产氢量子效率低下，严重阻碍了光解水制氢的发展。因此，如何阻止“电子—空穴”的复合，提高光催化制氢效率，已成为目前国际上光催化研究领域的重大挑战之一，也是制约光催化制氢技术实用化的瓶颈难题。

柳清菊团队通过大量研究发现，选用金属铜（Cu）改性二氧化钛（TiO2），采用特别的方法使铜以单原子形式牢固锚定于具有大比表面的TiO2纳米颗粒表面，单个原子作为化学反应的活性位点，使光催化活性达到最大化，产氢量子效率一下子就大幅提高到56%，在国际上首先实现了量子效率的突破。

（量子效率，是指光敏器件，如底片、感光耦合元件等，将其受光表面接收到的光子转换为电子-空穴对的百分比，底片的量子效率通常低于10%。）

铜原子改良二氧化钛催化制氢机理图。Cu+/Cu2+的可逆变化大大促进了光生载流子的分离和传输，大幅提高了光生电子的利用率，使产氢的表观量子效率达到56%

纯TiO2以及不同金属单原子负载TiO2的产氢率，图中数据显示，铜的产氢率最高。

不同铜原子含量下5小时的产氢量，从图表中可以看出，当铜原子含量是1.5%时产氢量最高。

柳清菊团队的研究还发现，改良后的二氧化钛催化剂活性稳定，具有超长的光催化稳定性，历经几百个小时的催化分解反应，催化剂的量几乎没有衰减。而常规条件下，即使经历长时间的存放，依然能保持和新制备样品的同样产氢性能。这对于降低制氢成本，简化生产工艺，免除昂贵的设备等有着重要的意义。

不同存放时长的改良后TiO2产氢的循环稳定性和长期稳定性。最后一根曲线是显示存放380天后的性能。

那么，问题来了，柳清菊团队的重大发现，会让光分解制氢走向大规模的工业应用吗？答案是否定的，这个发现还没有克服第3个难题：光催化剂只有在紫外线照射之下才会实现“水变氢”。

迄今为止，现有光解水催化剂通常在紫外区才有活性，在波长400nm以上的可见光范围内，它的转化效率又迅速下降到10%以下。由于地球上空存在臭氧层，太阳紫外线的大部分都被挡在了外太空，到达地球表面的只有大约4%。太阳光的能量主要集中于可见和红外光区。其中可见光占比约为43%，红外光占比为53%。因此，如果能研发出可见光甚至是红外光响应的催化剂，我们的好日子才会到来。