整个过程却十分困难。实现太阳能燃料的合成，需要依赖高效的催化剂。可是，这种催化剂十分稀少——过去40年间，科学家们只发现了 16 种，而且还是研究别的问题的时候误打误撞发现的。这16种材料的表现也并不尽如人意。

　　但是，来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州理工学院的研究人员只用了2 年时间，便新增了12种可以用作光阳极的材料。他们是怎么做到的呢？答案是：超级计算机进行理论计算 + 高通量实验法大量筛选。

　　密度泛函理论（DFT）被广泛应用于计算多电子体系的电子结构。本研究进一步改进了这一算法，用以精确、高效地计算金属氧化物的能带。

　　首先，科学家们建立了一个涵盖多达 60,000 种金属氧化物材料的数据库；其次，科学家改良了一种叫做“密度泛函理论（Density Functional Theory， DFT）”的研究多电子体系电子结构的量子力学计算方法，在保留了其高效的同时，提高了计算半导体禁带宽度的精度。

　　采用了许多加快计算速度的方法之后，科学家们获得了此类计算的史上最快速度。然而，要对数据库里60,000种材料的化学性质逐一进行详细计算，依然是一项十分浩大的工程——如此巨大的计算量，在太阳能燃料直接转化刚刚提出的数十年前，是不可想象的。

科学家用超级计算机计算了60,000种材料的化学性能，从中筛选出几十种以供测试

　　但是，21世纪的科学家拥有了一项前所未有的强大工具：超级计算机。科学家们使用了美国能源部旗下的国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算机，进行了几百次理论计算——从中筛选出了几十种有可能可以使用的化合物，交给实验设备进行验证。

在NERSC，被命名为Edison的超级计算机（Cray XC30）

　　获得了比前人精确得多的“候选人”材料库后，下一步便是大量进行验证。负责制备实验所需材料的是一套先进的系统。该系统的工作原理可以理解为一台“喷涂”原子的“喷漆机”，将需要测试的材料溅镀到平面上，形成一层薄层。经过热处理，不同颜色的材料便出现在科学家们眼前，以供进一步测试。

　　科学家们一次测试大量材料的性能。图中，不同的材料反射不同颜色的光线，意味着它们与太阳光的作用不尽相同。

　　科学家们首先测试了材料吸收光线的性能，之后，对可以高效吸收阳光的材料进一步测试其生产太阳能燃料的能力。他们借鉴制药公司的做法，设计了一台“高通量”光化学测试设备。

　　所谓的“高通量”实验，指的是快速对大量的材料进行测试。他们发明的设备可以以高于传统实验方法100到1000倍的速度，测试材料在阳光的辐射下，将水分解成氢气和氧气的能力。最终，他们验证出12种光阳极材料，这几乎让人类已知的光阳极材料数量翻倍。

　　而且，除了发现了这些新材料，研究人员还透过理论计算和实验验证，了解了其内部的电子结构，让他们明白为什么这些材料可以用于光催化反应。

　　更重要的是，利用该研究的结果，世界各地的科学家可以进一步对这些新材料进行测试，从而能够找出让其大规模工业应用生产太阳能燃料的技术方案。或者参照他们的“理论计算+实验验证”的模式，进一步发现更多的材料，共同为人类的清洁未来努力。

　　除了上文所述的高能量密度，该研究还可能实现太阳能燃料的另外两个重要的意义：