上海比朗淺談光解水制氫系統(tǒng)。

　　現(xiàn)代社會(huì)，能源危機(jī)日益明顯，這一方面是由于人們對(duì)能源的利用率不高，而另一方面是沒有找到很好的新能源。在石油，煤，等傳統(tǒng)能源日益減少，且造成大量污染時(shí)，我想，氫氣必定是未來(lái)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的理想能源。

　　太陽(yáng)能是zui干凈而又取之不盡的自然能源。而光合作用是綠色植物和藻類在可見光作用下將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過程，人類賴以生存的能源和材料實(shí)際上都直接和間接地來(lái)自光合作用。由于石油短缺引起的能源危機(jī)，人們對(duì)光合作用及光解水制氫產(chǎn)生了興趣，目前看來(lái)，太陽(yáng)能光解水制氫將是從根本上解決能源短缺問題的的途徑。

　　經(jīng)過收集資料，我們了解到，太陽(yáng)能光催化制氫技術(shù)的原理如下：

　　在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下把1mol水(18克)分解成氫氣和氧氣需要約285kJ的能量，太陽(yáng)能輻射的波長(zhǎng)范圍是200~2600nm，對(duì)應(yīng)的光子能量范圍是 400~45kJ/mol。但是水對(duì)于可見光至紫外線是透明的，并不能直接吸收太陽(yáng)光能。因此，想用光裂解水就必須使用光催化材料，科學(xué)家們往水中加入一些半導(dǎo)體光催化材料，通過這些物質(zhì)吸收太陽(yáng)光能并有效地傳給水分子，使水發(fā)生光解。以二氧化碳鈦半導(dǎo)體光催化材料為例，當(dāng)太陽(yáng)光照射二氧化化鈦時(shí)，其價(jià)帶上的電子(e-)就會(huì)受激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴(h+),形成了電子空穴對(duì)。產(chǎn)生的電子(e-)、空穴(h+)在內(nèi)部電場(chǎng)作用下分離并遷移到粒子表面。水在這種電子-空穴對(duì)的作用下發(fā)生電離生成氫氣和氧氣。

　　從太陽(yáng)能利用角度看，光解水制氫過程主要是利用太陽(yáng)能而不是它的熱能，也就是說，光解水過程中首先應(yīng)考慮盡可能的利用陽(yáng)光輻射中的紫外光和可見光部分，那么，太陽(yáng)能分解水制氫可以通過三種途徑來(lái)進(jìn)行。

　　一.光電化學(xué)池：即通過太陽(yáng)板吸收太陽(yáng)能并將光能轉(zhuǎn)化為電能。

　　二.助絡(luò)合催化：即人工模擬光合作用分解水的過程。

　　三.半導(dǎo)體催化：即將Tio2或cds等光半導(dǎo)體微粒直接懸浮在水中進(jìn)行光解水反應(yīng)。

　　在這里，我們著重研究了一，三點(diǎn)。

　　光電化學(xué)池——光陽(yáng)極通常為光半導(dǎo)體材料，受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子。空穴對(duì)。光陽(yáng)極和對(duì)極(陰極)組成光電化學(xué)池，在電解質(zhì)存在下光陽(yáng)極吸光后在半導(dǎo)體導(dǎo)帶上產(chǎn)生的電子通過外電路流向?qū)O，水中的質(zhì)子從對(duì)極上接受電子產(chǎn)生氫氣。光電化學(xué)池法的優(yōu)點(diǎn)是放氫放氧可以在不同的電極上進(jìn)行，減少了電荷在空間的復(fù)合幾率。其缺點(diǎn)是必須加偏壓，從而多消耗能量。

　　半導(dǎo)體催化——半導(dǎo)體光催化在原理上類似于光電化學(xué)池，細(xì)小的光半導(dǎo)體顆?？梢员豢醋魇且粋€(gè)個(gè)微電極懸浮在水中，它們象光陽(yáng)極一樣在起作用。所不同的是它們之間沒有象光電化學(xué)池那樣被隔開，甚至對(duì)極也被設(shè)想是在同一粒子上。在半導(dǎo)體微粒上可以擔(dān)載鉑，有人把鉑作為陰極來(lái)看待，但從鉑的作用機(jī)制上看更象是催化劑。因?yàn)樵跊]有“外電路”只有水作為電解質(zhì)的情況下，光激發(fā)所產(chǎn)生的電子無(wú)法象在體系外的導(dǎo)體中一樣有序地從“光陽(yáng)極”流向“陰極”，鉑的主要功能是聚集和傳遞電子促進(jìn)光還原水放氫反應(yīng)。和光電化學(xué)池比較，半導(dǎo)體光催化分解水放氫的反應(yīng)體系大大簡(jiǎn)化，但通過光激發(fā)在同一個(gè)半導(dǎo)體微粒上產(chǎn)生的電子空穴對(duì)極易復(fù)合。這樣不但降低了光電轉(zhuǎn)換效率，而且也影響光解水同時(shí)放氫放氧。但實(shí)驗(yàn)證明即使在同時(shí)有鉑存在下也只能加速光解水總包反應(yīng)的進(jìn)行，而無(wú)助于在光解水產(chǎn)氫中同時(shí)放氧。通過向反應(yīng)體系中注入氣相氧進(jìn)一步證實(shí)，在光照下氧氣會(huì)大量被半導(dǎo)體微粒 吸收而使半導(dǎo)體材料氧化。盡管半導(dǎo)體光催化循環(huán)分解水同時(shí)放氫放氧未能實(shí)現(xiàn)，象絡(luò)合催化光解水一樣必須在反應(yīng)體系中加入電子給體或受體分別放氫放氧，但半導(dǎo)體光催化的發(fā)展卻為光催化研究打開了若干新的領(lǐng)域。如大氣和水中污染物的消除以及光氧化合成含氧化合物等。這些新型光催化反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，都是基于對(duì)光催化分解水認(rèn)識(shí)的深化和受光催化分解水的啟發(fā)。

　　水和陽(yáng)光可稱是取之不盡的物質(zhì)。從水中獲得的氫作為能源使用后又回到了水的形態(tài)，是一種*的可持續(xù)開發(fā)和利用。考慮到近幾年太陽(yáng)能光解水制氫技術(shù)的迅猛發(fā)展和巨大突破，有可能在未來(lái)的二三十年內(nèi)就走向?qū)嵱没?，使太?yáng)能光解水制氫產(chǎn)業(yè)化成為現(xiàn)實(shí)。該技術(shù)的應(yīng)用將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，并帶給人類使用能源的革命性變革。

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