當太陽-氫（Solar to Hydrogen，STH）達到5~10%的情況下，光催化分解水制氫才具有經(jīng)濟可行性[1]。目前，在光催化分解水制氫研究中，最主要的活性評價參數(shù)是歸一化的光催化產(chǎn)氫速率（μmol·h-1·g-1或mmol·h-1·g-1）、量子產(chǎn)率（AQY）和STH能量轉(zhuǎn)化效率。然而，歸一化的光催化分解水產(chǎn)氫速率受入射光波長范圍、入射光強度、反應(yīng)器類型、反應(yīng)溫度等因素影響，導致不同實驗室之間的數(shù)據(jù)結(jié)果無法在統(tǒng)一標準下比較[2]。因此，評估催化劑的光催化水分解制氫最主要的兩項指標是AQY和STH能量轉(zhuǎn)化效率。關(guān)于AQY，已在“量子產(chǎn)率（AQY）計算保姆教程，你值得擁有！”一文中詳細闡述。
STH能量轉(zhuǎn)化效率是輸入太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的效率，是衡量光催化劑分解水的實際應(yīng)用標準[3]。
1.光催化分解水反應(yīng)中的STH能量轉(zhuǎn)化效率計算公式如下[2]：
RH2：光催化分解水制氫速率（mmol·s-1）;
?Gr：分解水反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能（J·mol-1）;
Psun：AM 1.5G標準太陽光譜的光功率密度（100 mW·cm-2）;
S：光照面積（cm2）。
分解水反應(yīng)標準摩爾吉布斯自由能
，公式(1-1)可簡化為[4]：
理論上，STH能量轉(zhuǎn)化效率也可以通過對所有波長的量子效率進行積分來計算，公式如下[5]：
λI：AM1.5G標準太陽光譜起始波長；
λF：AM1.5G標準太陽光譜終止波長；
QE：標準條件下的量子效率。
2.光電催化分解水反應(yīng)中的STH能量轉(zhuǎn)化效率計算公式如下[6]：
Jsc：短路光電流密度（mA·cm-2）；
E：水的熱力學分解電位（V）;
ηF：法拉第效率；
Psun：AM1.5G標準太陽光譜的光功率密度（100 mW·cm-2）。
同樣，水的標準熱力學分解電位
=1.23 V，公式(2-1)可簡化為[6]：
在使用上述公式時，需注意如下幾點[2]：
1.STH能量轉(zhuǎn)化效率的計算只針對H2:O2摩爾比為2:1的全分解水反應(yīng)，對于空穴犧牲劑存在的制氫半反應(yīng)并不成立。因為空穴犧牲劑也會參與反應(yīng)，?Gr和E值會有變化；
2.不同溫度、壓力下的?Gr和E值不同，需根據(jù)實際反應(yīng)溫度、壓力予以矯正；
3.光源的光譜必須符合AM1.5G標準太陽光譜，且光功率密度為100 mW·cm-2。
由以上公式可知，精確測量光催化/光電催化STH能量轉(zhuǎn)化效率的兩個必要條件分別是：
①光催化分解水制氫速率的精確測量；
②AM1.5G標準太陽光譜。
關(guān)于光催化分解水制氫速率的精確測量，反應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)注意以下干擾因素：
1.避免離線手動進樣造成的測量誤差；
2.避免H2和O2在短時間內(nèi)混合不均勻。
關(guān)于AM1.5G標準太陽光譜的獲取，常見的方式有兩種①直接使用太陽光模擬器②氙燈光源配合AM1.5G濾光片，見圖1。
圖1. (a)太陽光模擬器和氙燈配合AM1.5G濾光片實物圖，(b)AM1.5G標準太陽光譜和Microsolar 300型氙燈配合AM1.5G濾光片光譜圖
清華大學朱永法老師和中科院理化所張鐵銳研究員課題組使用北京泊菲萊PLS-FX300HU高均勻性一體式氙燈作為光催化全分解水實驗的光源，通過北京泊菲萊Labsolar-6A 系統(tǒng)對H2和O2含量進行在線分析，并進行光催化分解水反應(yīng)STH能量轉(zhuǎn)化效率的測量。相關(guān)成果已發(fā)表在Nano Energy[7]。
北京理工大學張加濤老師課題組通過該方案使用PLS-FX300HU高均勻性一體式氙燈作為光電催化分解水實驗的光源，通過Labsolar-6A全玻璃自動在線微量氣體分析系統(tǒng)對H2含量進行在線分析，并進行光電催化分解水反應(yīng)STH能量轉(zhuǎn)化效率的測量。相關(guān)成果已發(fā)表在Advanced Energy Materials[8]。
圖3. 經(jīng)典案例——光電催化分解水STH的測量
[1]Matthew R. Shaner, Nathan S. Lewis*, Eric W. McFarland*, et. al., A comparative technoeconomic analysis of renewable hydrogen production using solar energy[J]. Energy Environmental Science, 2016, 9, 2354.
[2]Wang Zheng, Li Can, Kazunari Domen*, Recent developments in heterogeneous photocatalysts for solar-driven overall water splitting[J]. Chemical. Society. Reviews, 2019, 48, 2109.
[3]Li Rengui, Li Can*, Photocatalytic water splitting on semiconductor-based photocatalysts[J]. Advances in Catalysis, 2017, 60, 1.
[4]Li Yiyang, Wang Zihan, Tsang Shik Chi Edman* et. al., Local magnetic spin mismatch promoting photocatalytic overall water splitting with exceptional solar-to-hydrogen efficiency[J]. Energy Environmental Science, 2022. DOI: 10.1039/d1ee02222a
[5]Qureshi Muhammad, Takanabe Kazuhiro *, Insights on measuring and reporting heterogeneous photocatalysis: efficiency definitions and setup examples[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29, 158.
[6]Chen Zhebo, Deutsch Todd G., Jaramillo Thomas F.* et. al., Accelerating materials development for photoelectrochemical hydrogen production: Standards for methods, definitions, and reporting protocols[J]. Journal of Materials Research, 2010, 25, 3.
[7]Chen Xianjie, Zhu Yongfa*, Zhang Tierui* et. al., Three-dimensional porous g-C3N4 for highly efficient photocatalytic overall water splitting [J]. Nano Energy, 2019, 59, 644.
[8]Wang Hongzhi, Guo Yuying, Zhang Jiatao* et. al., Efficient plasmonic Au/CdSe nanodumbbell for photoelectrochemical hydrogen generation beyond visible region[J]. Advanced Energy Materials, 2019, 9, 1803889.
