氫因具有放熱效率高、清潔及可再生等特點，被視為21世紀最理想的清潔能源。通常氫氣主要由化石原料，如煤、石油、天然氣等制備，但在這制備過程中不僅會消耗大量的能量，而且會產生大量的二氧化碳的排放，與可持續發展理念相悖。而利用太陽能在光催化劑的條件下分解水制氫則是一種可持續的、能夠緩解能源緊缺現狀的一種理想方案，太陽能取之不盡、用之不竭，而且制備過程中也不會產生二氧化碳的排放。

 氫能源體系光催化分解水產氫示意圖

來源：分子催化

光催化分解水的關鍵在于催化劑材料的選擇。作為光催化劑的半導體材料，應具備能在可見光照射時發生電子從價帶到導帶躍遷的特性。半導體寬帶越大，電子躍遷所需要的光波長越短。目前常見的半導體光催化劑是TiO2,其禁帶寬度為3.2eV,只有波長小于390nm的光才能引起電子的躍遷，而可見光的波長在400~800nm的區間里，因此TiO2無法利用可見光進行催化分解水。從太陽光的利用效率看，半導體的帶隙應盡可能的小，通常要小于3.0eV。同時考慮到氫質子還原形成氫氣所需要的電勢為0V（標準氫電極，NHE），而水分子氧化形成氧氣所需要的電勢為+1.23V，以及電極過電位和半導體能帶彎曲所帶來的影響，半導體催化劑的最小禁帶寬度約為1.8eV。

 半導體光催化劑的全分解水原理