1980年，日本信州大學超材料研究計劃教授、東京大學教授堂免一成 （Kazunari Domen）發表了第一篇用鈦酸鍶（SrTiO3）來催化光分解水、產生氫氣的論文。
40年後，他在世界頂級學術期刊《自然》上公布最新研究稱，經過一系列降低副反應的設計，摻雜鋁的鈦酸鍶在紫外線下催化光解水的量子效率已經達到了96%以上。
當然，太陽光中強度最高的部分是可見光，並非紫外線。鈦酸鍶因此很難真正進入大規模應用。不過，作為一種模型，堂免一成團隊的結果令人鼓舞，提出的改進效率設計也可能適用於可見光光催化劑。
光催化劑改進氫燃料是最理想的清潔能源之一，它在氧氣中完全燃燒的產物只有水。把這個反應逆轉過來，就是水分解成氫氣和氧氣。
我們在高中學習過水電解制氫，這過程本身需要消耗電，因此在經濟性上充滿挑戰。1972年，日本科學家發現在特定催化劑下，太陽光能分解水制氫，提出了光解水制氫這一技術可能。
從本質上，光解水制氫是將太陽能轉化為氫氣中化學能的過程。據估計，地球表面每年吸收的太陽能的0.02%就足夠覆蓋全球能源消耗。如果光活性催化劑（亦稱「光催化劑」） 能以10%的效率將太陽能轉化為氫能，即具備了經濟競爭力。
然而，光催化是高度複雜的一個過程，對半導體顆粒提出了多重要求。它們懸浮在水中，需要能吸收光，產生並分離電子-空穴對（所謂空穴，是一種概念上存在的「準粒子」，即光子將帶負電荷的電子從原子晶格中激發出去後，留下帶正電荷的空穴），促使電子和空穴移動至粒子和水的交界面，最後利用這些電子和空穴催化水分解成氫和氧。
一個水分子由一個氧原子居中，伸出兩條「手臂」拉住兩個氫原子構成。水分解的過程就是兩個氫原子各自吸收一個電子合成氫氣，而氧原子則與帶正電荷的兩個空穴配對。
光催化劑催化光解水制氫示意圖這上面所列的四步，每一步都可能會有所偏差，產生不想要的副反應，從而降低整體轉化效率。例如，電子和空穴可能在各自與氫原子和氧原子反應前就重新結合起來，稱作電荷複合。
該日本團隊使用的鈦酸鍶早在1977年就被報導過，是人們發現的最早一批光解水材料。這次，他們使用了多種方法來解決電荷複合問題：一是提高光催化劑顆粒的結晶度，從而減少晶格缺陷；二是在晶格中摻雜少量鋁原子，從而減少晶格中的化學缺陷。這些缺陷都可能成為電子和空穴複合的地方。
另一種前人已經提出過的思路是儘量把電子和空穴在空間上分離開。事實上，電子和空穴本來就傾向於聚集在鈦酸鍶晶格不同的面上。研究團隊選擇性地在不同的面上放置適當的聯合催化劑，在收集電子的面產生氫，收集空穴的面產生氧。
最後，研究團隊還將用於制氧反應的銠催化劑包裹在鉻化合物中進行保護，從而避免不必要的氧還原反應。
掃描電子顯微鏡下摻雜其他催化劑的鈦酸鍶圖像外部量子效率達96%那麼，這種改進後的光催化劑效率有多高？首先我們需要定義一個衡量效率的指標。絕對指標稱為內部量子效率（IQE），即催化劑吸收的光子能產生多少氫氣。一個完美的光催化劑IQE達到100%，吸收兩個光子就能產生一個氫氣分子。
但在現實操作中，實驗中無法測定催化劑到底吸收了多少光子，只能用另一種外部量子效率（EQE）來衡量：照射反應容器的光子能產生多少氫氣。因為照射反應容易的光子不會都被催化劑吸收了，而是在散射等過程中丟失，外部量子效率總是要低於內部量子效率。
據論文報導，使用350-360納米波長範圍內的光照射時，鈦酸鍶的外部量子效率高達96%。這意味著，它的內部量子效率介於96%到100%之間。
350-360納米波長範圍內的光屬於紫外線，並不是太陽光中高強度的部分。因此，指望鈦酸鍶來實現大規模的水制氫不太限制。這項研究的主要意義在於令我們理解哪些因素會降低催化效率，並探索一些減少催化損耗的機制。
《自然》新聞版塊同期發表的一篇文章評論道，儘管鈦酸鍶「只是」用來模擬可見光光催化劑的系統，但這個結果引人注目。首先，它證明了可以通過實驗設計，將內部和外部量子效率的差距縮小到4%以內。
其次，它證明了所使用的多重策略確實可以避免與電荷重組相關的效率損失，這些方法預計也適用於可見光光催化劑。
最後，堂免一成40年的研究經歷表明，研究人員想要在這個領域做出突破，需要漫長的持續努力。
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