科學家們最近在利用陽光、水和二氧化碳生產清潔燃料方面打破了以往的效率紀錄。東京科學研究所和廣島大學的研究人員發展出一種新穎的合成方法，使光催化劑的活性提高了多達 60 倍。這種新材料在氫氣（H2）生產方面實現了約 15% 的量子產率，並且在將二氧化碳（CO2）轉化為甲酸的過程中，顯示出約 10% 的潛力，甲酸是一種液體燃料。這項進展針對的是全球可持續能源的挑戰，試圖利用陽光的潛力，不僅僅用於發電。
研究團隊專注於一類稱為鉛基氧鹵化物（Pb2Ti2O5.4F1.2，簡稱 PTOF）的材料，這些材料以其吸收可見光和抵抗嚴苛化學環境的能力而受到重視。研究人員在其新研究中指出：“氧鹵化物是水分解和二氧化碳轉化的有前景的可見光光催化劑；然而，高活性氧鹵化物的報導卻很少。”這次性能的大幅提升，得益於對催化劑結構進行了徹底的納米尺度重設。新的合成方法生產出表面積約為 40 m²/g 的高度多孔顆粒，與傳統製造的顆粒只有 2.5 m²/g 的表面積形成鮮明對比。
這項研究強調了控制氧鹵化物形態的重要性，以發揮其作為光催化劑的全部潛力。共同領導研究的前田和彦教授表示：“本研究中建立的合成方法使氧鹵化物光催化劑在氫氣生產和二氧化碳轉化為甲酸方面的性能達到世界領先水平，並且是環保的。”這項研究的獨特之處在於使用低溫微波輔助合成過程，通過將傳統的鈦源（TiCl4）替換為精心挑選的水溶性鈦複合物，研究團隊得以創造出小於 100 nm 的 PTOF 顆粒。
這一縮小過程至關重要，因為它縮短了光激發電荷載流子到達顆粒表面進行化學反應所需的距離。通常，製造更小的顆粒可能會引入結構缺陷，從而影響性能。然而，研究團隊的溫和環保方法避免了這一問題。令人感興趣的是，儘管新型納米顆粒中的電荷載流子移動性較低，但顯著縮短的傳輸距離卻充分彌補了這一不足。這意味著較少的電荷載流子會因重組而損失，從而使其更有可能參與生成燃料的反應。
此外，來自中國的研究人員也開發出一種方法，在銅鋅錫硫（CZTS-cu2ZnSnS4）光陽極中實現了最高的太陽能轉氫效率。他們利用一種簡便而多樣化的前驅體種子層工程技術，打破了豐富元素 Cu2ZnSnS4（CZTS）光陽極的性能上限，實現了 9.91% 的半電池太陽能轉氫效率（HC-STH）。這些發現預計將顯著促進創新材料的發展，並幫助應對全球能源挑戰。
