当量子点遇见太极哲学
太阳，这浩瀚宇宙赠予地球的永恒能源，每秒倾泻的能量远超人类所需。若能高效捕获这无尽光能，并驱动水分子（H₂O）裂解为“绿氢”，将是实现“碳达峰、碳中和”的首要环节。量子点（Quantum dots, QDs），这一纳米尺度下的人造“超能晶体”，正以其独特禀赋成为破解这一难题的密钥。太阳光驱动量子点催化水分解的微观图景，恰似一场精妙绝伦的“光与电的太极之舞”。当光子（至阳之能量）被量子点捕获，瞬间激发产生高能电子-空穴对——这光明的馈赠本身即蕴含阴阳相生的真谛（光生电子为阴，空穴为阳）。随后，这阴阳之力在量子点内部分道扬镳：电子（阴）迅捷传递至催化剂表面，参与阴极还原反应，赋予水分子电子，孕育氢气（H₂，亦可视为至阴之能量载体）；与此同时，空穴（阳）则奔赴阳极氧化位点，驱动水分子释放氧气（O₂，蕴含至阳之生气）。整个过程中，光能的注入（阳）驱动了电荷的分离（阴与阳的分化）与水的裂解（阴成氢，阳成氧），完成了一次从光（阳）到化学键（氢-阴，氧-阳）的完美能量与物质转化，深刻印证了“孤阴不生，独阳不长”及阴阳互根互用的古老东方智慧。本论文将引领读者步入这奇妙的纳米世界，深入剖析量子点如何化身“光之太极宗师”，以精妙的“阴阳”能量驾驭术，驱动水分子完成至纯至净的裂变之舞。
1. 光之唤醒：量子点的“太极生两仪”
量子点（quantum dots, QDs）是一种直径2~10 nm的半导体纳米晶，通常由Ⅱ-Ⅳ族（如CdS, CdSe, CdTe）、Ⅲ-Ⅴ族（如InP, InAs）或钙钛矿等半导体材料制成[1]，具有量子限域效应、高消光系数、高光致发光量子产率、多激子产生、可调控的能级结构等特性[2]。这些特性构成了其在“光与电的太极之舞”中扮演关键角色的基础。
当阳光（光子）照射到QDs时，将发生光生电子-空穴对反应（阴阳初生），如图1，此时QDs价带中的电子（e-，阴）跃迁至导带，留下带正电荷的空穴（h+，阳）。理论上，水分解的电位差需达到1.23 V，因此QDs导带要比水的还原电势（0 V）更负，价带要比水的氧化电势（1.23 V）更正[3]。QDs尺寸越小，其导带能级越高，价带能级越低，相当于扩大了阴阳两极的间距，从而能增加电子还原与空穴的氧化能力。所以，QDs就如同纳米尺度的“太极盘”，通过尺寸精准调节阴阳能量差，为分解水反应定制专属“能量台阶”。
图1. 量子点光生电子-空穴对反应（太极生两仪）原理图（自制）
2. 阴阳共舞：水的催化分解
电子与空穴产生后，需要“阴阳相离”分并参与反应（图2），其中电子注入水中，将H+还原为氢气（2H+ + 2e- = H2）;而空穴则氧化水分子，生成氧气（2H2O + 4h+ = O2 + 4H+）。
图2.阴阳共舞：太阳光驱动量子点水分解产氢示意图（自制）
在“阴阳共舞”这一过程中，电子与空穴的高效分离至关重要。通过对量子点进行表面修饰形成亲水界面，从而引导电子向外传递，有利于提高析氢效率。另外，由于空穴参与的水氧化反应动力学缓慢，是整个水分解反应的速率决定步骤。通过在量子点表面修饰合适的助催化剂（如Pt、CoP等）[4]，可有效降低反应能垒，促进空穴的捕获与传输，加速氧气析出反应，从而维持电子-空穴对的分离效率，提高整体产氢性能。
3. 效法自然：QDs系统的“阴阳调和”
为提升产氢效率，科学家从自然界的阴阳平衡中汲取灵感，通过设计异质结构、仿生光捕获体系以及双助催化剂等方式来提升水分解产氢效率。上海交通大学候中宇老师课题组，通过将CdS与CdSe量子点结合，通过能级重排，形成梯度能带结构，如同太极中的推手，推动电子与空穴分离，提高了产氢效率（图3）[5]。
图3. (a)不同半导体材料的能带结构示意图；(b)太阳光照射下TiO₂/CdS/CdSe的光电化学分解水机理[5]
光捕获也是提升QDs催化水分解产氢的重要因素，单一QDs体系无法做到可见光谱的全谱利用。因此，研究者模仿植物叶绿体的多层结构，将不同尺寸的同种量子点组装成三维网络结构，利用尺寸不同的QDs吸收不同颜色的光（图4）[6]，实现“全光谱阴阳共振”，提高光捕获效率提升，进而提高产氢效率。
从自然界绿色植物光合作用获得启发，研究人员通过设计具有与光合作用原理相似的“Z机制”可实现高效的电子-空穴分离（图5）[7]，这种机制被形象地称为“人工光合作用”。这种设计是在光敏剂Ⅰ（PSⅠ）和光敏剂II（PSII）间引入电子受体/给体（A/D）对，通过A/D介体的定向传递，使PS II的电子与PS I的空穴选择性复合，迫使PS I富集电子（增强还原力）、PS Ⅱ富集空穴（增强氧化力），从而突破传统光催化体系的氧化还原电位限制，驱动全水高效分解为氢气和氧气。
图4.不同尺寸 CdSe 量子点敏化的 NiO/ITO 彩虹光电极示意图，以及不同尺寸 CdSe 量子点的能级结构和它们之间的电子转移过程[6]
图5. 光敏剂-电子受体/赠体-光敏剂（PS-A/D-PS）Z型体系的能带结构示意图[7]
4. 氢能的利用与循环：从“量子太极”到可持续未来
QDs分解水的过程暗合“万物负阴而抱阳，冲气以为和”的东方哲理。如图6所示，在太阳光的驱动下，QDs催化水分解产生H2和O2，H2可直接作为能源与O2经燃烧后重新生成水释放能量而做功，完成循环。除此之外，H2和O2通过燃料电池将化学能转化为电能，驱动生产（产物依然为H2O）。结合前沿的人工光合研究成果（如液态阳光），H2也是人工光合作用的首要环节，其在化工厂可与CO2结合成有机液态燃料（如甲醇），实现碳中和目标。从太极阴阳到量子点光化学，人类对自然法则的理解从未停歇。量子点虽小，却承载着破解能源困局的宏大使命。它提醒我们：最前沿的科技，或许就藏在最古老的哲学之中。未来，太阳光驱动QDs水分解产氢技术有望实现大规模应用，届时，人类将真正步入“以水为媒，以光为源”的清洁能源时代，实现人与自然的和谐发展。
图6. 太阳光驱动QDs催化水分解产氢循环利用示意图（自制）
参考文献
[1]Su H, Wang W, Shi R, et al. Recent advances in quantum dot catalysts for hydrogen evolution: Synthesis, characterization, and photocatalytic application[J]. Carbon Energy, 2023, 5: e280.
[2]Jin L, Zhao H, Wang Z M, et al. Quantum dots-based photoelectrochemical hydrogen evolution from water splitting[J]. Adv Energy Mater, 2021, 11: 2003233.
[3]Walter M G, Warren E L, McKone J R, et al. Solar water splitting cells[J]. Chem Rev, 2010, 110: 6446-6473.
[4]Kumar M, Meena B, Subramanyam P, et al. Recent trends in photoelectrochemical water splitting: The role of cocatalysts[J]. NPG Asia Mater, 2022, 14: 88.
[5]Chen S, Peng Y, Li C, et al. The co-decorated TiO2 nanorod array photoanodes by CdS/CdSe to promote photoelectrochemical water splitting[J]. Int J Hydrogen Energy, 2021, 46: 32055-32068.
[6]Lv H, Wang C, Li G, et al. Semiconductor quantum dot-sensitized rainbow photocathode for effective photoelectrochemical hydrogen generation[J]. PNAS, 2017, 114: 11297-11302.
[7]Ng B J, Putri L K, Kong X Y, et al. Z-Scheme photocatalytic system for solar water splitting[J]. Adv Sci, 2020, 7:1903171.
作者简介
李振，男，1985年3月生，理学博士，河西学院副教授，主要研究方向为光电转换材料与器件。
审稿人意见
（1）论文的主要内容围绕太阳光驱动量子点催化水分解制氢展开，实际上这是一个能量转化的过程，而非能量循环。因此，建议对论文题目进行适当修改，以更准确地反映研究的核心内容。
（2）第二页第24至25行中，关于助催化剂作用的阐述不够清晰。建议进一步明确其在催化反应中的具体作用和机制，以便读者更好地理解。
（3）在第四部分中，题为“主要阐述氢能的利用”的部分使用了“阴阳循环”作为标题，这一表述值得商榷。建议考虑更为恰当的标题，以更清晰地传达该部分的主题和研究重点。
（4）论文中的表述需要加强光催化领域的专业术语，以提高学术表达的准确性和严谨性。
作者：李振，于丽波，罗世友
作者单位：河西学院
作者邮箱：lizhen_665@163.com
审稿人：王心晨
编辑：朱真逸
审核：佘婉宁