太阳能光（电）催化能源转化是国际科学领域的大科学课题，近年来备受世界关注的人工光合成太阳燃料的关键步骤就包括（电）催化过程，美国和日本等发达国家已将这一研究方向作为国家重要战略布局给予长期重点支持，试图在该领域抢占主导地位。基于光（电） 催化的人工光合成太阳燃料一旦取得突破，将有望从根本上变革能源和化工领域过度依赖化石资源的现状，为实现“双碳”目标提供可行的技术方案。人工光合成的另一个重要发展方向是合成生物学，在太阳能作用下，由水、二氧化碳、空气中氮元素合成糖、蛋白质和核酸等人类生命需要的基本物质，将是更具挑战性的基础科学难题。

人工光合成太阳燃料过程主要是基于催化科学（包括光催化、光电催化、电催化以及生物催化）利用太阳能等可再生能源将水和二氧化碳转化为化学能的过程。如此复杂的过程中包括许多关键的基础科学问题，涉及化学、物理、生物等多学科前沿科学问题，该过程涉及多电子转移的能量爬坡反应，整个过程跨越飞秒至秒级的多个时间尺度。从空间上来看， 涉及原子尺度的结构到微纳米空间电荷层以及电荷扩散动力学。这一复杂的过程中包括许多关键的基础科学问题，如凝聚态光催化剂体系中光生电荷的分离以及空间分布问题、精准表征光生电荷的时间和空间分布特性的关键表征技术、光生电荷的传输问题、模拟自然光合过程的仿生催化以及水氧化微观机理、分子层次上水分解过程中化学键如何断裂和如何形成等，以上问题都远没得到解决，成为基础科学领域的前沿研究方向。

太阳能光（电）催化领域研究的重点和热点主要包括以下方面。

太阳能转化效率是由光催化剂的捕光效率、电荷分离效率和表面催化效率的乘积共同决定的，其中捕光效率受半导体光催化的吸光范围影响，一般吸光范围越宽其理论太阳能转化效率越高。这方面的研究热点主要集中在高吸光系数、可见光吸收的半导体、有机 - 无机杂化材料的合成；电子、空穴高迁移率材料合成和设计，实现高效捕光材料，及宽光谱吸收太阳光，如等离基元结构的可控合成和定向组装；开发高光电效率的新型多激子捕光电极材料等方面；利用材料基因组学设计和筛选具有优秀捕光能力、高电荷迁移率的材料等。

如何在微纳尺度实现高效电荷分离以及认清电荷分离微观机制，一直是光电催化领域的核心问题之一。在此方面，研究热点主要集中在发展具有强内建电场如铁电、光压电、极化基元的材料合成方法，发展空间、能级可控的掺杂方法，实现光生电荷在微纳尺度的高效分离；实现暴露高活性晶面以及具有高导电性晶轴结构的光电材料的可控制备等；发展形貌、晶面和尺寸可控的半导体催化材料的高通量及其 AI 辅助的合成技术，实现具有定向内建电场、高载流子迁移率材料的筛选和制备。

水氧化裂解是光（电）催化水分解的速控步骤， 也是自然光合作用和人工光合成的原初反应。开发高效稳定的水氧化催化剂是实现人工光合成（包括光催化、光电催化和电催化）的关键。这一方向的基础研究热点集中在通过模拟自然水氧化催化中心CaMn₄O₅的结构，发展从单核到多核精确可控的团簇水氧化催化剂，合成高效的仿生模拟酶水氧化催化剂，认识水氧化活性中心的结构与水氧化反应过程的关系，研究水氧化催化剂上 O—O键形成的微观机理，进而借鉴生物水氧化的微观机制，解决人工合成高效光（电）催化活性中心这一具有挑战性的科学难题。

到目前为止，人们对于光催化过程中表面催化活性中心结构和反应动力学，光生电荷在界面传输的过程和在光催化剂表面的分布认识较浅。光生电荷的激发、分离以及后续参与反应的过程的表征以及相应的理论研究成为这一领域的难点。这方面的研究热点主要集中在发展光（电）催化体系的时空分辨“在线” 表征技术，发展具有光生电荷、表面物种化学识别的高时空间分辨、能量分辨的方法及组合技术；发展可精确描述激发态体系光生电荷动力学的新方法与理论，研究激发态条件下光生电子空穴在半导体材料中的传输行为以及电子 / 声子，电子 / 缺陷相互作用，提出激发态电子在半导体和电解液溶液界面的传输模型等。

通过光电催化变革现有能源结构，实现“零碳”的一个重要途径是将太阳能转化为规模化、高效安全的液态燃料。此方面的研究主要集中在建立高效稳定的太阳能 - 电能 - 氢能转化新体系；揭示二氧化碳加氢制备甲醇的反应机理，构筑二氧化碳加氢制甲醇等液体燃料的高效催化反应体系，实现温和反应条件下二氧化碳高活性、高选择性转化为甲醇，为大规模实现太阳燃料甲醇生产提供理论和技术基础。

光电催化领域的WoS论文统计数据（见表 1）在一定程度上可以给出统计学意义上的参考。中国该领域的论文数量在2010－2014 年和 2015－2019年两个 5 年期的世界排名均位于前列；中国的论文被引频次排序也在前列；中国的高被引论文数量从前5年的10篇增长至后5年的75篇，世界排名相应地从第2位进步到第1位。尽管中国论文产出较多，综合看，在关键科学难题上发表的论文和原创性优秀工作，相比日本、德国和美国等国还存在一定的差距。

近年来，我国在太阳能科学利用研究领域发展迅速，与国际并跑，部分研究成果引领国际水平。以中国科学院大连化学物理研究所的太阳能研究团队为代表，在太阳能分解水制氢的基础科学领域已取得有国际影响的成果，提出了原创性新概念和新策略，如“双助催化剂”“异相结”及“晶面间光生电荷分离”等；提出并验证了可规模化太阳能光催化分解水制氢的“氢农场”策略，太阳能光（电）催化分解水制氢效率创国际最高水平；率先发展了具有原创性的时间 - 空间分辨的光生电荷原位动态表征方法，在国际上引起广泛关注。在光催化研究基础上拓展到光电催化和电催化的基础研究，发现模拟生物PSII放氧反应中心的仿酶单核锰催化剂，在此研究积累基础上，又成功研发在强碱性条件下高活性、高稳定性的廉价金属电催化剂，攻克了规模化高效碱性电解水制氢的核心技术。2018 年在兰州启动了我国首个千吨级“液态太阳燃料合成”工业化示范工程，并于2020 年1月试车成功，这是全球范围内首个直接太阳燃料规模化合成的示范项目，将对我国乃至世界能源结构优化、二氧化碳减排和生态文明建设具有重要意义。除了中国科学院大连化物所的工作外，大连理工大学/西湖大学孙立成团队在高效水氧化分子催化剂的设计合成、氧 - 氧键形成机理，以及光解水制氢功能器件的设计与制备等方面取得了系列重要进展，率先发展了新型水氧化分子催化剂Ru-bda催化剂，其催化效率（TOF值达到每秒1 000以上），可与自然界天然光合作用水氧化中心相媲美；中国科学院理化技术研究所佟振合 / 吴骊珠团队在模拟酶光催化产氢体系研究，产氢量子效率领先国际水平，催化产氢转化数达到1 600万。中国科学院化学研究所张纯喜研究员，基于前期对生物水裂解催化中心的深刻认识，于2015年报道成功合成新型Mn₄CaO₅ 簇合物，这类化合物是迄今为止所有人工模拟物中与生物水裂解催化中心结构最为接近的模拟物，它对研究自然界光系统II水裂解中心的结构和水裂解机理有重要的参考价值。

人工光合成太阳燃料的研究正受到世界各国的高度重视，国际竞争十分激烈。日本、欧美以及我国都在人工光合成方面设立了长期重点支持项目，如美国能源部联合加州理工学院、加州大学伯克利分校和欧文分校及多个国家实验室，专门启动人工光合成研究中心“JCAP”和“LISA”项目，集中支持太阳能光催化分解水制氢和二氧化碳转化，在光伏 - 光电耦合太阳能分解水制氢基础研究方面目前位于世界前列；日本政府联合几十个大学、企业和研究机构组织了“ARPChem”（人工光合成化学）和“AnApple”（全日本光合成）等科技大项目，长期重点支持人工光合成，在光催化分解水制氢以及下游的氢燃料电池相关的用氢及加氢等方面已处于国际领先地位，尤其是最近开始探索可规模化太阳能光催化分解水制氢，利用具有紫外光响应的钛酸锶光催化剂完成了100 m²的户外小型示范，虽然目前太阳能分解水制氢效率仅为0.4%~0.6%，但对于该领域光催化剂太阳能规模化制氢有重要示范意义。2020年，国家自然科学基金委员会设立并启动了人工光合成基础科学中心项目，对人工光合成过程的基础科学问题研究进行重点支持，该中心依托中国科学院大连化学物理研究所，聚焦太阳能光催化、光电催化和电催化的前沿科学问题，将进一步推动我国人工光合成领域的发展。

在可预见的将来，人工光合成领域的基础科学前沿将在如下方向取得重大突破性进展：凝聚态体系中光生电荷的分离及微观机制、高灵敏度表征光生电荷的时间和空间分辨的关键技术、认识自然光合过程水氧化微观机理、分子层次上揭示水分解过程中化学键如何断裂和新键如何形成等微观过程。此外，合成生物学、自然光合生物学、物理化学、材料科学、物理及光化学等基础学科的交叉融合发展，将派生出一系列交叉学科新的前沿基础科学课题和“0到1”的重大突破。最近，中国科学院天津工业生物技术研究所与大连化物所合作，在淀粉人工光合成方面取得突破性进展，国际上首次实现了水和二氧化碳到淀粉的从头合成。这个工作的原理可以分为两大阶段：光能到化学能转化的人工光合成，实现水和二氧化碳合成液态阳光（或太阳燃料）甲醇；利用液态阳光甲醇经过系列酶促反应实现生物暗反应过程合成淀粉。该成果是光电催化和生物催化交叉耦合的一个典范，得到国内外领域专家的高度评价，被认为是“典型的0到1原创性突破”。

在人工光合成规模化应用方面，在基础科学研究新发现、新原理和新表征方法的基础之上，构建高效稳定的可规模化人工光合成体系，进而发展具有工业应用前景的技术，在人工光合成太阳燃料关键“卡脖子”技术上取得突破，达到可规模化应用的要求，为实现“双碳”目标、保障国家能源安全做出实质性贡献。