综述：大规模光催化水分解材料与系统

本综述系统探讨了光催化水分解（Photocatalytic Water Splitting）技术从材料开发到系统集成的全链条研究进展，重点剖析了高效光催化剂（如TiO2基材料）的设计策略、规模化反应系统构建的工程挑战，以及产学研协同推动太阳能制氢（Solar H2）产业落地的关键路径。

　　

光催化水分解技术的现状与挑战

材料开发：效率与稳定性的博弈

近年来，二氧化钛（TiO₂）基光催化剂因其优异的化学稳定性和低成本特性成为研究热点。通过元素掺杂（如N-TiO₂）和异质结构建（如TiO₂/CdS），可见光响应范围已扩展至600 nm以上。然而，量子效率（QE）普遍低于10%，且光腐蚀问题制约着材料的长期稳定性。

系统集成：从实验室到工业放大

悬浮式反应器虽结构简单，但存在催化剂回收难题；而固定床系统虽易规模化，却面临传质限制。最新研究提出的微流控光反应器（Microfluidic Photoreactor）通过毫米级通道设计，将产氢速率提升至120 μmol·h^-1·g^-1，但离工业化要求的吨级产能仍有数量级差距。

产业化瓶颈：成本与社会的双重考验

当前太阳能制氢成本约为5-7美元/kg，远高于化石燃料制氢（1.5美元/kg）。日本"人工光合作用"国家项目通过超薄催化剂层涂覆技术，将材料用量降低60%，但电极组件寿命仍需突破10万小时门槛。社会接受度方面，德国H2Giga计划通过海上光伏耦合制氢的示范工程，有效缓解了公众对氢气储运安全的担忧。

未来展望：跨学科协同创新

美国能源部"Hydrogen Shot"计划提出将电解槽成本降至80美元/kW的目标，这需要材料科学家开发非贵金属助催化剂（如MoS₂/CoP），同时化学工程师需优化连续流反应器的光热耦合机制。中国"十四五"规划则着重布局光伏-光催化联产系统，试图通过风光互补破解光照间歇性难题。