将阳光转化为氢气似乎是解决世界能源挑战的理想方法。这一过程不直接涉及化石燃料或产生任何温室气体排放。由此产生的氢气可以为车辆、轮船和火车上的燃料电池系统提供动力；它可以供给电网，也可以用来制造化学品和钢铁。不过，目前，清洁能源的愿景主要存在于实验室。
最近，日本研究人员表示，他们在利用太阳能制造大量氢气方面迈出了重要一步。长野信州大学（Shinshu University in Nagano）的研究小组研究吸收光的材料来分解水中的氢和氧分子。现在他们已经开发出一种两步法，这种方法在光催化反应中产生氢气的效率大大提高。
研究人员从氮氧化钽钡（BaTaO2N）开始，这是一种半导体材料，可以吸收高达650纳米的光（红色橙色端的可见波长）。这种粉末状物质作为光催化剂，利用太阳能来驱动反应。他们还用甲醇水溶液代替水，这使得他们只关注氢成分，减少了反应的复杂性。
BaTaO2N本身很难从溶液中“析出”氢气。因此，使用他们的新方法，研究团队用铂基助催化剂“装载”粉末颗粒，以提高化学活性。
结果，根据他们在《自然通讯》杂志上发表的论文显示，这种材料释放氢气的效率比用传统方法装载铂的BaTaO2N高出100倍。
这项研究的合著者Takashi Hisatomi表示，这一结果在这一研究领域是一个“了不起的发现”。Hisatomi是日本长野信州的超材料研究计划的教授，他研究BaTaO2N已有近十年的历史。“这对我个人来说是非常令人兴奋的，”他说，“这是100倍的进步。”
太阳能专家称，更容易或更有效地制造氢气的努力是“圣杯之旅（Holy Grail quest）”。当用在燃料电池驱动的汽车或建筑中时，这种无味的气体不会产生排放物或空气污染，只产生一点点热量和水。然而，现在几乎所有的氢气都是通过使用天然气的工业过程制造的，天然气最终会将更多的排放物注入大气。少数设施可以利用可再生电力分解水分子来制造“绿色”氢气，但这一过程本身是能源密集型的。如果科学家能直接从太阳能量中提取氢气，他们就可以绕过这一昂贵的步骤。
在比利时，Katholieke Universiteit Leuven的一个团队正在开发太阳能电池板，它可以收集空气中的水分，然后利用化学和生物成分直接在表面分解水分。研究人员设想将这些面板放在房屋顶部，让人们用现场制造的氢气为家里供暖。另外，以色列和意大利科学家正在推进从太阳能到化学能转换中提取尽可能多氢气的方法。这个国际组织已经开发出棒状纳米颗粒，顶端有铂球，可以防止氢和氧在分子分离后重新结合。
在信州，研究人员试图通过沉积铂基共催化剂来提高BaTaO2N光催化剂的效率。但Hisatomi说，传统的方法一开始并不有效。
例如，在浸渍还原过程中，表面填充含有金属前体的溶液，然后经受高温，高温蒸发溶剂并留下金属催化剂。当Shinshu团队在BaTaO2N颗粒上应用铂微粒时，这些微粒趋向于聚集，从而限制了材料之间的电子相互作用。另一种称为光沉积的方法，导致BaTaO2N和共催化剂之间的接触较弱，从而削弱了相互作用。
所以研究人员将这两种方法结合起来。首先，他们用浸渍还原法只沉积了少量的共催化剂，这就阻止了颗粒的聚集。然后，他们用光沉积法涂上第二层；这一次，微粒生长在第一步种植的广泛散布的“种子”上。Zheng Wang和Ying Luo分别在Kazunari Domen和Katsuya Teshima的监督下进行了调查。
尽管这项研究涉及的是甲醇水溶液，而不是水，但研究小组证实，当与另一种驱动析氧过程的光催化剂结合时，新开发的载铂BaTaO2N能比早期的BaTaO2N更有效地分解水中的氢和氧分子。
Hisatomi说，研究小组正在考虑在板式反应器上印刷这种粉末状光催化剂。他和他的同事已经用另一种材料，掺铝钛酸锶（SrTiO3）制造了这样的装置，这种材料的晶体结构与BaTaO2N相同，但吸收不同波长的光。1平方米的平板反应堆充满了1毫米深的水层。当暴露在阳光下时，化学反应迅速释放出气泡。一项相关的研究工作旨在开发出能保持氢和氧气泡分离的膜。尽管如此，尽管效率提高了100倍，但BaTaO2N还没有为黄金时段的制氢做好准备。
Hisatomi说：“我们仍然需要在提高效率方面有一个类似的飞跃，以使这项技术切实有用。” 随着研究人员不断改进光催化剂，他们也将开始将两步法应用于其他类型的材料。“我们不知道哪种材料最终会成为最好的，”他补充说。
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