Water splitting to form hydrogen and oxygen using solar energy in the presence of semiconductor photocatalysts has long been studied as a potential means of clean, large-scale fuel production. In general, overall water splitting can be achieved when a photocatalyst is modified with a suitable cocatalyst. It is therefore important to develop both photocatalysts and cocatalysts. In the past five years, there has been significant progress in water splitting photocatalysis, especially in the development of cocatalysts and related physical and materials chemistry. This work describes the state of the art and future challenges in photocatalytic water splitting, with a focus on the recent progress of our own research.

We investigated semiconductor characteristics for polymeric carbon nitride as a metal-free photocatalyst working with visible light and have shown that the efficiency of hydrogen production by photochemical water reduction can be improved by ∼1 order of magnitude by introducing the right type of mesoporosity into polymeric C3N4. We anticipate a wide rang of potential application of C3N4 as energy transducers for artificial photosynthesis in general, especially with a 3D continuous nanoarchitecture. Moreover, the results of finding photoactivity for carbon nitride nanoparticles can enrich the discussion on prebiotic chemistry of the Earth, as HCN polymer clusters are unequivocal in the solar system.

Overall water splitting to form hydrogen and oxygen over a heterogeneous photocatalyst using solar energy is a promising process for clean and recyclable hydrogen production in large-scale. In recent years, numerous attempts have been made for the development of photocatalysts that work under visible-light irradiation to efficiently utilize solar energy. This article presents recent research progress in the development of visible-light-driven photocatalysts, focusing on the refinement of non-oxide-type photocatalysts such as (oxy)nitrides and oxysulfides.

Just like a melon: Carbon nitride photocatalysts (see formula) structurally akin to poly(aminoimino)heptazine (Liebig′s melon) can be prepared by direct copolymerization of dicyandiamide with barbituric acid (BA). The picture shows how increasing the amount of BA in the copolymerization mixture (arrows) extends the optical absorption of the products further into the visible region, as is favorable for solar-energy applications. Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Photocatalytic overall water splitting has been studied extensively from the viewpoint of solar energy conversion. Despite numerous attempts, none have yielded satisfactory results for the development of photocatalysts, which work under visible light irradiation to efficiently utilize solar energy. We report here the first example of visible-light-driven overall water splitting on a novel oxynitride photocatalyst, a solid solution of GaN and ZnO with a band gap of 2.58-2.76 eV, modified with RuO2 nanoparticles. In contrast to the conventional non-oxide photocatalysts, such as CdS, the solid solution is stable during the overall water splitting reaction. This is the first example of achieving overall water splitting by a photocatalyst with a band gap in the visible light region, which opens the possibility of new non-oxide-type photocatalysts for energy conversion.

Nanoporous CdS nanostructures, including nanosheets and hollow nanorods, have been prepared by a two-step aqueous route, which consists of a first precipitation of nanoporous Cd(OH)2 intermediates and a subsequent S2−/OH− ion-exchange conversion of the obtained Cd(OH)2 used as template either to nanoporous CdS nanosheets with sizes up to 60 nm and an average thickness of about 9 nm or to CdS hollow nanorods with lengths up to 30 nm and outer diameters in the range 7–14 nm. The obtained CdS nanostructures containing nanopores with diameters of ∼3 nm exhibit a very large BET surface area of about 112.8 m2 g−1. A very high hydrogen yield of about 4.1 mmol h−1 under visible light irradiation (λ ≥ 420 nm), corresponding to the highest apparent quantum yield of about 60.34% measured at 420 nm so far reported, has been attained over the obtained nanoporous CdS nanostructures loaded with monodisperse 3–5 nm Pt nanocrystals, which is due to an efficient charge separation, a fast transport of the photogenerated carriers, and a fast photochemical reaction at the CdS/electrolyte interface. The photocatalytic reaction conditions, such as the Pt-loading content, the amount of catalyst, and the concentration of sacrificial regents, have been optimized.