Skip to main content
Log in

An overview on water splitting photocatalysts

  • Feature Article
  • Published:
Frontiers of Chemistry in China

Abstract

Photocatalytic splitting of water into H2 is one of the most promising ways for converting solar energy into chemical energy. In the present paper, the basic physical and chemical principles of photocatalysts for hydrogen generating from aqueous solutions are outlined. Strategies for designing visible-light-induced photocatalysts have been reviewed. Besides, ultraviolet-light-induced photocatalysts, dye sensitization, photoelectrochemical water splitting and Z-scheme systems to effectively increase the light harvest are also discussed. Finally, the existing problems, possible solutions and prospects are presented.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. Fujishima, A.; Honda, K., Nature 1972, 238, 37

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. Ashokkumar, M., Int. J. Hydrogen Energy 1998, 23, 427

    Article  CAS  Google Scholar 

  3. Anpo, M., Bull. Chem. Soc. Jpn. 2004, 77, 1427

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. Kudo, A., Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 2673

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. Maeda, K.; Domen, K., J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7851

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. Osterloh, F. E., Chem. Mater. 2008, 20, 35

    Article  CAS  Google Scholar 

  7. Sato, S.; White, J. M., Chem. Phys. Lett. 1980, 72, 83

    Article  CAS  Google Scholar 

  8. Domen, K.; Kudo, A.; Shinozaki, A.; Tanaka, A.; Maruya, K.; Onishi, T., J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1986, 4, 356

    Article  Google Scholar 

  9. Kudo, A.; Kato, H., Chem. Lett. 1997, 9, 867

    Article  Google Scholar 

  10. Sato, J.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6061

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. Elvington, M.; Brown, J.; Arachchige, S. M.; Brewer, K. J., J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 10644

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. Ikeda, S.; Itani, T.; Nango, K.; Matsumara, M., Catal. Lett. 2004, 98, 229

    Article  CAS  Google Scholar 

  13. Bae, E.; Choi, W., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 14792

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. Maeda, K.; Teramura, T.; Lu, D. L.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K., Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7806

    Article  CAS  Google Scholar 

  15. Perharz, G.; Dimroth, F.; Wittstadt, U., Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 3248

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. Selli, E.; Chiarello, G. L.; Quartarone, E.; Mustarelli, P.; Rossetti, I.; Forni, L., Chem. Commun. 2007, 47, 5022

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. Hoffert, M. I.; Caldeira, K.; Benford, G.; Criswell, D. R.; Green, C.; Herzog, H.; Jain, A. K.; Kheshgi, H. S.; Lackner, K. S.; Lewis, J. S.; Lightfoot, H. D.; Manheimer, W.; Mankins, J. C.; Mauel, M. E.; Perkins, L. J.; Schlesinger, M. E.; Volk, T.; Wigley, T. M. L., Science 2002, 298, 981

    Article  CAS  Google Scholar 

  18. Lewis, N. S., Nature 2001, 414, 589

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. Service, R. F., Science 2004, 305, 958

    Article  CAS  Google Scholar 

  20. Nowotny, J.; Sorrell, C. C.; Sheppard, L. R.; Bak, T., Int. J. Hydrogen Energy 2005, 30, 521

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Sayama, K.; Arakawa, H., J. Phys. Chem. 1993, 97, 531

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. Takata, T.; Shinohara, K.; Tanaka, A.; Hara, M.; Kondo, J.; Domen, K., J. Photochem. Photobiol. A 1997, 106, 45

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. Inoue, Y.; Kubokawa, T.; Sato, K., J. Phys. Chem. 1991, 95, 4059

    Article  CAS  Google Scholar 

  24. Inoue, Y.; Asai, Y.; Sato, K., J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1994, 90, 797

    Article  CAS  Google Scholar 

  25. Kudo, A.; Tanaka, A.; Domen, K.; Maruya, K.; Aika, K.; Onishi, T., J. Catal. 1998, 111, 67

    Article  Google Scholar 

  26. Kato, H.; Asakura, K.; Kudo, A., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3082

    Article  CAS  Google Scholar 

  27. Domen, K.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Takata, T., Bull. Chem. Soc. Jpn. 2000, 73, 1307

    Article  CAS  Google Scholar 

  28. Saito, N.; Kadowaki, H.; Kobayashi, H.; Ikarashi, K.; Nishiyama, H.; Inoue Y., Chem. Lett. 2004, 33, 1452

    Article  CAS  Google Scholar 

  29. Ikarashi, K.; Sato, J.; Kobayashi, H.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2002, 106, 9048

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. Sato, J.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 7965

    Article  CAS  Google Scholar 

  31. Sato, J.; Kobayashi, H.; Ikarashi, K.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2004, 108, 4369

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. Sato, J.; Kobayashi, H.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 7970

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. Sato J.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6061

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. Sato, J.; Kobayashi, H.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Photochem. Photobiol. A 2003, 158, 139

    Article  CAS  Google Scholar 

  35. Kadowaki, H.; Sato, J.; Kobayashi, H.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Simodaira, Y.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. B 2005, 109, 22995

    Article  CAS  Google Scholar 

  36. Sato, J.; Saito, N.; Yamada, Y.; Maeda, K.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Kobayashi, H.; Domen, K.; Inoue, Y., J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4150

    Article  CAS  Google Scholar 

  37. Arai, N.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Domen, K.; Kobayashi, H.; Sato, K.; Inoue, Y., Catal. Today 2007, 129, 407

    Article  CAS  Google Scholar 

  38. Maeda, K.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K., Chem. Mater. 2007, 19, 4092

    Article  CAS  Google Scholar 

  39. Maeda, K.; Teramura, K.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K., Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 1004

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. Kudo, A.; Sekizawa, M., Catal. Lett. 1999, 58, 241

    Article  CAS  Google Scholar 

  41. Kudo, A.; Sekizawa, M., Chem. Commun. 2000, 1371

  42. Kasahara, A.; Nukumizu, K.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Kobayashi, H.; Domen, K., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 791

    Article  CAS  Google Scholar 

  43. Ishikawa, A.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Kobayashi, H.; Domen, K., J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13547

    Article  CAS  Google Scholar 

  44. Reyes-Gil, K. R.; Reyes-Garcia, E. A.; Raftery, D., J. Phys. Chem. C 2007, 111, 14579

    Article  CAS  Google Scholar 

  45. Hagiwara, H.; Ono, N.; Inoue, T.; Matsumoto, H.; Ishihara, T., Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1420

    Article  CAS  Google Scholar 

  46. Grätzel, M., Chem. Lett. 2005, 34, 8

    Article  Google Scholar 

  47. Park, J. H.; Bard, A. J., Electrochem. Solid-State Lett. 2005, 8, G371

    Article  CAS  Google Scholar 

  48. Wang, S.; Tabata, I.; Hisada, K.; Hori, T., Dyes Pigments 2002, 55, 27

    Article  Google Scholar 

  49. Heyduk, A. F.; Nocera, D. G., Science 2001, 293, 1639

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. Zou, Z. G.; Ye, J. H.; Sayama, K.; Arakawa, H., Nature 2001, 414, 625

    Article  CAS  Google Scholar 

  51. Khan, S. U. M.; Al-Shahry, M.; Ingler, W. B., Science 2002, 297, 2243

    Article  CAS  Google Scholar 

  52. Tsuji, I.; Kato, H.; Kobayashi, H.; Kudo, A., J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13406

    Article  CAS  Google Scholar 

  53. Maeda, K.; Takata, T.; Hara, M.; Saito, N.; Inoue, Y.; Kobayashi, H.; Domen, K., J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8286

    Article  CAS  Google Scholar 

  54. Ritterskamp, P.; Kuklya, A.; Wustkamp, M. A.; Kerpen, K.; Weidenthaler, C.; Demuth, M., Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7770

    Article  CAS  Google Scholar 

  55. Lei, Z.; You, W.; Liu, M.; Zhou, G.; Takata, T.; Hara, M.; Domen, K.; Li, C., Chem. Commun. 2003, 2142

  56. Liu, M.; You, W.; Lei, Z.; Zhou, G.; Yang, J.; Wu, G.; Ma, G.; Luan, G.; Takata, T.; Hara, M.; Domen, K.; Li, C., Chem. Commun. 2004, 2192

  57. Lei, Z. B.; Ma, G. J.; Liu, M. Y.; You, W. S.; Yan, H. J.; Wu, G. P.; Takata, T.; Hara, M.; Domen, K.; Li, C., J. Catal. 2006, 237, 322

    Article  CAS  Google Scholar 

  58. Wang, D. F.; Zou, Z. G.; Ye, J. H., Chem. Phys. Lett. 2004, 384, 139

    Article  CAS  Google Scholar 

  59. Ye, J. H.; Zou, Z. G., J. Phys. Chem. Solids 2005, 66, 266

    Article  CAS  Google Scholar 

  60. Yuan, Y. P.; Lv, J.; Jiang, X.; Li, Z. S.; Yu, T.; Zou, Z. G., Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 094107

    Article  CAS  Google Scholar 

  61. Chen, X. Y.; Yu, T.; Fan, X. X.; Zhang, H. T.; Li, Z. S.; Ye, J. H.; Zou, Z. G., Appl. Surf. Sci. 2007, 253, 8500

    Article  CAS  Google Scholar 

  62. Li, Y.; Lu, G.; Li, S.; Chemosphere 2003, 52, 843

    Article  CAS  Google Scholar 

  63. Zhang, X. J.; Jin, Z. L.; Li, Y. X.; Li, S. B.; Lu, G. X., J. Power Sources 2007, 166, 74

    Article  CAS  Google Scholar 

  64. Li, Q. Y.; Lu, G. X., J. Mol. Catal. A 2007, 266, 75

    Article  CAS  Google Scholar 

  65. Jin, Z. L.; Zhang, X. J.; Li, Y. X.; Li, S. B.; Lu, G. X., Catal. Commun. 2007, 8, 1267

    Article  CAS  Google Scholar 

  66. Wang, X. W.; Liu, G.; Chen, Z. G.; Li, F.; Wang, L. Z.; Lu, G. Q.; Chen, H. M., Chem. Commun. 2009, 3452

  67. Wang, X. W.; Liu, G.; Chen, Z. G.; Li, F.; Lu, G. Q.; Chen, H. M., Electrochem. Commun. 2009, 11, 1174

    Article  CAS  Google Scholar 

  68. Liu, G.; Yang, H. G.; Wang, X. W.; Cheng, L. N.; Pan, J.; Lu, G. Q.; Cheng, H. M., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12868

    Article  CAS  Google Scholar 

  69. Xiao, W. J.; Yuan, J.; Zhang, Y. F.; Shangguan, W. F., Mater. Chem. Phys. 2007, 105, 6

    Article  CAS  Google Scholar 

  70. Shen, S. H.; Guo, L. J., Catal. Today 2007, 129, 414

    Article  CAS  Google Scholar 

  71. Yin, Y. X.; Jin, Z. G.; Hou, F., Nanotechnology 2007, 18, 495608

    Article  CAS  Google Scholar 

  72. Song, H. B.; Peng, T. Y.; Cai, P.; Yi, H. B.; Yan, C. H., Catal. Lett. 2007, 113, 54

    Article  CAS  Google Scholar 

  73. Guo, D. Z.; Zhang, G. M.; Zhang, Z. X.; Xue, Z. Q.; Gu, Z. N., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 1571

    Article  CAS  Google Scholar 

  74. Schlapbach, L.; Züttel, A., Nature 2001, 414, 353

    Article  CAS  Google Scholar 

  75. Maeda, K.; Teramura, K.; Takata, T.; Hara, M.; Saito, N.; Toda, K.; Inoue, Y.; Kobayashi, H.; Domen, K., J. Phys. Chem. B 2005, 109, 20504

    Article  CAS  Google Scholar 

  76. Kudo, A., Int. J. Hydrogen Energy 2006, 31, 197

    Article  CAS  Google Scholar 

  77. Sayama, K.; Mukasa, K.; Abe, R.; Abe, Y.; Arakawa, H., Chem. Commun. 2001, 2416

  78. Kato, H.; Hori, M.; Konta, R.; Shimodaira, Y.; Kudo, A., Chem. Lett. 2004, 33, 1348

    Article  CAS  Google Scholar 

  79. Kato, H.; Sasaki, Y.; Wase, A.; Kudo, A., Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 2457

    Article  CAS  Google Scholar 

  80. Kaneko, M.; Okura, I., Photocatalysis science and technology; Springer: New York, 2002

    Google Scholar 

  81. Bard, A. J., J. Photochem. 1979, 10, 59

    Article  CAS  Google Scholar 

  82. Bard, A. J., Science 1980, 207, 139

    Article  CAS  Google Scholar 

  83. Abe, R.; Sayama, K.; Arakawa, H., Chem. Phys. Lett. 2003, 371, 360

    Article  CAS  Google Scholar 

  84. Sayama, K.; Arakawa, H., J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1992, 2, 150

    Article  Google Scholar 

  85. Sayama, K.; Arakawa, H., Chem. Lett. 1992, 2, 253

    Article  Google Scholar 

  86. Zhang, J.; Xu, Q.; Feng, Z. C.; Li, M. J.; Li, C., Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1766

    Article  CAS  Google Scholar 

  87. Kato, H.; Kudo, A., Catal. Lett. 1999, 58, 153

    Article  CAS  Google Scholar 

  88. Kudo, A.; Okutomi, H.; Kato, H., Chem. Lett. 2000, 1212

  89. Kudo, A., Catal. Surv. Asia 2003, 7, 31

    Article  CAS  Google Scholar 

  90. Kato, H.; Asakura, K.; Kudo, A., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3082

    Article  CAS  Google Scholar 

  91. Centi, G.; Perathoner, S., Micropor. Mesopor. Mat. 2008, 1073

  92. Takata, T.; Furumi, Y.; Shinohara, K.; Tanaka, A.; Hara, M.; Kondo, J. N.; Domen, K., Chem. Mater. 1997, 9, 1063

    Article  CAS  Google Scholar 

  93. Sato, J.; Saito, S.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., Chem. Lett. 2001, 868

  94. Sato, J.; Saito, S.; Nishiyama, H.; Inoue, Y., J. Photochem. Photobiol. A 2002, 148, 85

    Article  CAS  Google Scholar 

  95. Tang, J.; Zou, Z.; Ye, J., Chem. Mater. 2004, 16, 1644

    Article  CAS  Google Scholar 

  96. Kadowaki, H.; Saito, N.; Nishiyama, H.; Kobayashi, H.; Shimodaira, Y.; Inoue, Y., J. Phys. Chem. C 2007, 111, 439

    Article  CAS  Google Scholar 

  97. Sathish, M.; Viswanath, R. P., Catal. Today 2007, 129, 421

    Article  CAS  Google Scholar 

  98. Zong, X.; Yan, H. J.; Wu, G. P.; Ma, G. J.; Wen, F. Y.; Wang, L.; Li, C., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7176

    Article  CAS  Google Scholar 

  99. Yan, H. J.; Yang, J. H.; Ma, G. J.; Wu, G. P.; Zong, X.; Lei, Z. B.; Shi, J. Y.; Li, C., J. Catal. 2009, 266, 165

    Article  CAS  Google Scholar 

  100. Tan, M. X.; Laibinis, P. E.; Nguyen, S. T.; Kesselman, J. M.; Stanton, C. E.; Lewis, N. S., Prog. Inorg. Chem. 1994, 41, 21

    Article  CAS  Google Scholar 

  101. Ryu, S. Y.; Balcerski, W.; Lee, T. K.; Hoffmann, M. R., J. Phys. Chem. C 2007, 111, 18195

    Article  CAS  Google Scholar 

  102. Tada, H.; Mitsui, T.; Kiyonaga, T.; Akita, T.; Tanaka, K., Nat. Mater. 2006, 5, 782

    Article  CAS  Google Scholar 

  103. Zou, Z.; Ye, J.; Arakawa, H., Chem. Phys. Lett. 2000, 332, 271

    Article  CAS  Google Scholar 

  104. Kato, H.; Kobayashi, H.; Kudo, A., J. Phys. Chem. B 2002, 106, 12441

    Article  CAS  Google Scholar 

  105. Ishii, T.; Kato, H.; Kudo, A., J. Photochem. Photobiol. A 2004, 163, 181

    Article  CAS  Google Scholar 

  106. Konta, R.; Ishiii, T.; Kato, H.; Kudo, A., J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8992

    Article  CAS  Google Scholar 

  107. Niishiro, R.; Kato, H.; Kudo, A., Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 2241

    Article  CAS  Google Scholar 

  108. Yamashita, H.; Harada, M.; Misaka, J.; Takeuchi, M.; Ikeue, K.; Anpo, M., J. Photochem. Photobiol. A 2002, 148, 257

    Article  CAS  Google Scholar 

  109. Kitano, M.; Matsuoka, M.; Ueshima, M.; Anpo, M., Appl. Catal. A: Gen. 2007, 325, 1

    Article  CAS  Google Scholar 

  110. Hitoki, G.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Kobayashi, H.; Domen, K., Chem. Commun. 2002, 1698

  111. Hitoki, G.; Ishikawa, A.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Domen, K., Chem. Lett. 2002, 736

  112. Hara, M.; Hitoki, G.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Kobayashi, H.; Domen, K., Catal. Today 2003, 78, 555

    Article  CAS  Google Scholar 

  113. Chun, W.; Ishikawa, A.; Fujisawa, H.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Kawai, M.; Matsumoto, Y.; Domen, K., J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1798

    Article  CAS  Google Scholar 

  114. Ishikawa, A.; Yamada, Y.; Takata, T.; Kondo, J. N.; Hara, M.; Kobayashi, H.; Domen, K., Chem. Mater. 2003, 15, 4442

    Article  CAS  Google Scholar 

  115. Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D. L.; Takata, T.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K., Nature 2006, 440, 295

    Article  CAS  Google Scholar 

  116. Tsuji, I.; Kato, H.; Kobayashi, H.; Kudo, A., J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7323

    Article  CAS  Google Scholar 

  117. Tsuji, I.; Kato, H.; Kudo, A., Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3565

    Article  CAS  Google Scholar 

  118. Kiwi, J.; Grätzel, M., J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 7214

    Article  CAS  Google Scholar 

  119. O’Regan, B.; Grätzel, M., Nature 1991, 353, 737

    Article  Google Scholar 

  120. Abe, R.; Sayama, K.; Arakawa, H., J. Photochem. Photobiol. A 2004, 166, 115

    Article  CAS  Google Scholar 

  121. Deutsch, T. G.; Koval, C. A.; Turner, J. A., J. Phys. Chem. B 2006, 110, 25297

    Article  CAS  Google Scholar 

  122. Mishra, P. R.; Shukla, P. K.; Srivastava, O. N., Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 1680

    Article  CAS  Google Scholar 

  123. Park, J. H.; Bard, A. J., Electrochem. Solid-State Lett. 2006, 9, E5

    Article  CAS  Google Scholar 

  124. Grätzel, M., Nature 2001, 414, 338

    Article  Google Scholar 

  125. Murarka, S. P., Annu. Rev. Mater. Sci. 1983, 13, 117

    Article  CAS  Google Scholar 

  126. Awazu, K.; Fujimaki, M.; Rockstuhl, C.; Tominaga, J.; Murakami, H.; Ohki, Y.; Yoshida, N.; Watanabe, T., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1686

    Article  CAS  Google Scholar 

  127. Wang, P.; Huang, B.; Qin, X.; Zhang, X.; Dai, Y.; Wei, J.; Whangbo, M., Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7931

    Article  CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Qingbo Meng.

About this article

Cite this article

Fan, Y., Li, D., Deng, M. et al. An overview on water splitting photocatalysts. Front. Chem. China 4, 343–351 (2009). https://doi.org/10.1007/s11458-009-0100-1

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s11458-009-0100-1

Keywords

Navigation