Summary

 Sunlight-driven photocatalytic water splitting has been investigated as a potentially scalable and economically feasible means of producing renewable hydrogen. However, reactors suitable for efficient water splitting and prompt collection of gaseous products on a large scale have yet to be demonstrated. Here, we demonstrate a sunlight-powered water-splitting reactor using a fixed Al-doped SrTiO₃ photocatalyst and address the key issues in the reactor design associated with the scale-up. A panel reactor filled with only a 1-mm-deep layer of water was capable of rapid release of product gas bubbles without forced convection. A flat panel reactor with 1 m² of light-accepting area retained the intrinsic activity of the photocatalyst and achieved a solar-to-hydrogen energy conversion efficiency of 0.4% by water splitting under natural sunlight irradiation. The concept of a readily extensible water-splitting panel is a viable means for large-scale production of low-cost renewable solar hydrogen.

Development of sunlight-driven water splitting systems with high efficiency, scalability, and cost-competitiveness is a central issue for mass production of solar hydrogen as a renewable and storable energy carrier. Photocatalyst sheets comprising a particulate hydrogen evolution photocatalyst (HEP) and an oxygen evolution photocatalyst (OEP) embedded in a conductive thin film can realize efficient and scalable solar hydrogen production using Z-scheme water splitting. However, the use of expensive precious metal thin films that also promote reverse reactions is a major obstacle to developing a cost-effective process at ambient pressure. In this study, we present a standalone particulate photocatalyst sheet based on an earth-abundant, relatively inert, and conductive carbon film for efficient Z-scheme water splitting at ambient pressure. A SrTiO3:La,Rh/C/BiVO4:Mo sheet is shown to achieve unassisted pure-water (pH 6.8) splitting with a solar-to-hydrogen energy conversion efficiency (STH) of 1.2% at 331 K and 10 kPa, while retaining 80% of this efficiency at 91 kPa. The STH value of 1.0% is the highest among Z-scheme pure water splitting operating at ambient pressure. The working mechanism of the photocatalyst sheet is discussed on the basis of band diagram simulation. In addition, the photocatalyst sheet split pure water more efficiently than conventional powder suspension systems and photoelectrochemical parallel cells because H+ and OH- concentration overpotentials and an IR drop between the HEP and OEP were effectively suppressed. The proposed carbon-based photocatalyst sheet, which can be used at ambient pressure, is an important alternative to (photo)electrochemical systems for practical solar hydrogen production.

The effects of preparation methods, calcination times, and La doping concentrations on the crystallinity, visible light absorption, and photocatalytic water splitting performance of Rh- and La-codoped SrTiO3 (SrTiO3:La/Rh) were investigated. Applying a two-step solid state reaction in which SrTiO3 acted as a perovskite-type host produced core/shell structured SrTiO3:La/Rh, the surface of which was enriched with the dopants. La doping suppressed the formation of oxygen vacancies and inactive Rh4+ species. Under visible light irradiation (λ > 420 nm), SrTiO3:La/Rh exhibited 3.5 and 3.8 times higher rates of H2 evolution in an aqueous methanol solution and during redox-free Z-scheme overall water splitting in combination with Ir/CoOx/Ta3N5, respectively, compared to SrTiO3:Rh. The solar-to-hydrogen efficiency of the Z-scheme system as measured under illumination with simulated sunlight (AM1.5G) was found to have improved by a factor of 3.

Sunlight-driven water splitting allows renewable hydrogen to be produced from abundant and environmentally benign water. Large-scale societal implementation of this green fuel production technology within energy generation systems is essential for the establishment of sustainable future societies. Among various technologies, photocatalytic water splitting using particulate semiconductors has attracted increasing attention as a method to produce large amounts of green fuels at low cost. The key to making this technology practical is the development of photocatalysts capable of splitting water with high solar-to-fuel energy conversion efficiency. Furthermore, advances that enable the deployment of water-splitting photocatalysts over large areas are necessary, as is the ability to recover hydrogen safely and efficiently from the produced oxyhydrogen gas. This lead article describes the key discoveries and recent research trends in photosynthesis using particulate semiconductors and photocatalyst sheets for overall water splitting, via one-step excitation and two-step excitation (Z-scheme reactions), as well as for direct conversion of carbon dioxide into renewable fuels using water as an electron donor. We describe the latest advances in solar water-splitting and carbon dioxide reduction systems and pathways to improve their future performance, together with challenges and solutions in their practical application and scalability, including the fixation of particulate photocatalysts, hydrogen recovery, safety design of reactor systems, and approaches to separately generate hydrogen and oxygen from water.