光催化和CO2减少正在推动人工光合作用的技术发展。如果复制得当，这种光合作用过程可用于高效、可持续地生产非常理想的燃料和化学品，例如氢气。
光电催化和电解
光电催化工艺有可能利用太阳能在低工作温度下以非常高的效率将水分解成氧气和氢气。虽然电解技术正在迅速发展以生产绿色氢气，但巨大的能源需求和运营成本仍然限制了其可行性。因此，投资光电催化制氢研究有可能提供一种无需电解即可获得绿色氢气的另一种方法
光电催化氢气研究与项目
一系列化合物正在研究中，作为促进光电催化制氢的潜在催化剂。许多技术都利用 TiO2用于此类过程的基于光催化剂。例如，中国的一个研究小组正在使用 TiO2纳米管阵列与半导体纳米颗粒结合，作为水分解催化剂形成H2.
石油公司雷普索尔也热衷于寻找更有效的绿色氢气生产方式。作为西班牙最大的氢气生产商和消费者，他们参与了多个光电催化氢气工厂的建设，包括最近在巴斯克地区 Petronor 综合体的一个项目。他们此前曾与西班牙研究机构和 Enagás 合作，在马略卡岛和阿斯图里亚斯完成陆上和海上电解项目。
光电催化制氢的可扩展性面临的挑战
工艺效率
由于高能量需求和水分解涉及多电子转移机制，高效生产氢气具有挑战性，因此研究人员正在发挥创造力。2020 年，信州大学开发了一种掺铝锶TiO3催化剂系统在非常特定的光和半导体条件下，效率几乎为 100%。这个过程需要优化才能真正可行，但这是实现高效光催化分解水的重要一步。2021 年的第二项研究发现，生物质可用作氢气来源，可将产量提高多达 70%。
但挑战仍然存在，即找到一种实用的光催化剂，它可以由地球上丰富的材料形成，不会产生有毒的废物，并且能够有效地捕获和转换太阳能。考虑到这一点，另一项研究正在试验使用烧焦的木材作为基材来提高水分解反应的效率。不过，就目前而言，对于实际的非实验室系统，光电化学太阳能到氢的转换效率仍低于 20%。
水源
另一个挑战是为光电催化氢气工艺寻找可行的水源，因为高纯度的淡水不太可能用作反应物。一些研究人员正在研究分解海水的可能性，尽管这需要专门的化合物。Co 的用途3O4目前正在研究中，因为它是一种稳定、无毒、多孔的薄膜，可以作为海水的催化剂。目前，使用这种方法生产的氢气的效率仅为 8%。
光生物制氢
试图模仿由 17 个蛋白质亚基和众多辅助因子组成的光系统 II 的作用被证明是一个相当大的挑战。因此，研究人员也在研究替代方案，例如使用具有天然光解和光发酵制氢能力的微藻。通过这种方法获得的氢气产量仍然很低，但研究人员正在研究如何提高效率，并正在寻找创造性的方法来为他们的工艺提供燃料，例如使用废水。
结论
与氢经济的许多方面一样，光电催化制氢的研究仍处于起步阶段，距离商业可行还有很长的路要走。随着时间的推移和持续的兴趣，这项研究有望为当前全球面临的气候和技术挑战提供解决方案。