在全球能源需求持续增长和“双碳”目标背景下，将太阳能高效转化为化学燃料是解决能源与环境问题的关键路径之一。然而，传统光催化常受制于光吸收与催化活性难以兼顾、光生载流子易复合、界面反应动力学缓慢，以及太阳能间歇性与工业连续生产不匹配等矛盾。

「电」辅助催化为此提供了破局思路：以电场或电势差主动干预，把光吸收、电荷传输、表面反应三个关键步骤解耦，从而突破单一材料的性能天花板。其作用体现在两方面——利用外置或内置电场优化载流子的分离与传输路径、抑制非辐射复合；利用电场调控反应中间体的吸附构型与活化能，提升催化选择性。然而，「电」在光-化学能转换中的多重角色尚缺乏统一框架，不同体系的能量转换机制、材料设计原则与性能瓶颈有待系统梳理。

对此，我校材料科学与工程学院博士研究生贾鹏伟在黄洪伟教授的指导下，创新性地按作用空间尺度的差异，将「电」辅助太阳能-燃料催化划分为跨空间电荷传输系统与局域电场调控系统两大体系，并以此为框架系统评述了该领域的最新进展：

1. 跨空间电荷转移系统：以宏观电荷迁移实现能量传递的“空间解耦”

通过物理电路或等效电荷通道，将光吸收单元与催化单元空间分离，实现光生载流子的定向迁移。文章总结了外驱动力系统（如外偏压辅助单光电极PEC）和自驱动系统（PEC-PEC、PV-PEC、PV-EC）。前者可控性强，但存在欧姆损耗、过电位和光电极腐蚀等问题；后者通过能带匹配、Z型异质结和光伏-电解耦合，实现无偏压或零能耗的太阳能到燃料转化，最高太阳能到氢（STH）效率已超过30%。核心挑战在于降低跨空间传输中的能量损失。

2. 局域电场调控系统：以微观电场实现反应控制的“时间解耦”

不依赖长程电荷迁移，而是利用材料本征/界面电场或外场诱导的微观电场，在原子尺度直接调控反应动力学。文章将之分为静态本征电场（铁电自发极化电场、界面电场）和动态电场（压电、热释电、挠曲电、摩擦电诱导的瞬态电场）。前者可调控中间体吸附自由能、提升选择性；后者通过机械应力、温度变化或摩擦产生瞬态场，实现反应路径的实时调控。其优势是原子级反应控制精度，但能量输入的可持续性仍是产业化瓶颈。

文章进一步总结了两类系统在能量转化机制、材料设计原则、性能瓶颈和解决方案方面的进展，指出跨空间系统实现了能量传递的“空间解耦”，局域电场系统实现了反应控制的“时间解耦”；二者协同有望成为下一代太阳能-燃料系统的关键，并提出了“自适应多场耦合催化”的未来方向。最后，文章从电荷动力学与能量损失、材料稳定性与界面兼容、系统集成与放大、理论模型与实验验证差距等方面提出挑战，展望了智能响应材料、AI辅助设计、多场耦合和可规模化制造等发展方向。

图1. 能源供需发展情况

图2. “电”辅助催化太阳能到燃料技术全景图

图3. “电”辅助太阳能到燃料催化技术的分类与应用

图4 “电”辅助催化太阳能到燃料转化技术的主要挑战与未来发展方向

上述研究成果发表于材料化学领域国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》：Pengwei Jia, Yutang Yu, Tong Chen, and Hongwei Huang*. “Electricity”-Assisted Catalytic Solar-to-Fuel Processes. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202508809.

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202508809