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現(xiàn)在光解水的最高效率能做到多少-效率達(dá)到56%
發(fā)布時(shí)間：2022-11-01 瀏覽量：3153
如果你看到有人把一些白色粉末扔進(jìn)水里，不用電，也不用加熱或消耗其他能源，就憑太陽光或LED光源照射，水就能源源不斷分解成氫氣和氧氣。你信嗎？更令人驚奇的是，即使經(jīng)過幾百個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，這種白色粉末的量并沒有減少，只要有水和光照，氫氣就能持續(xù)不斷產(chǎn)生。
其實(shí)，光照分解水制取氫氣，并不是什么新鮮事。早在1972年，日本東京大學(xué)Fujishima A和Honda K兩位教授就首次發(fā)現(xiàn)，用二氧化鈦?zhàn)鞔呋瘎柟庹障?，水?huì)分解產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象之中，作為催化劑的半導(dǎo)體（半導(dǎo)體的金屬氧化物，二氧化鈦是常見的催化劑）起到非常關(guān)鍵的作用。
光解水的原理為：光輻射在半導(dǎo)體上，當(dāng)輻射的能量大于或相當(dāng)于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而空穴則留在價(jià)帶，使電子和空穴發(fā)生分離，然后分別在半導(dǎo)體的不同位置將水還原成氫氣或者將水氧化成氧氣。
其基本過程如下：
①光催化劑材料吸收一定能量的光子以后，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)；
②電子空穴對(duì)分離，向光催化劑表面移動(dòng)；
③遷移到半導(dǎo)體表面的電子與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；
④遷移到半導(dǎo)體表面的空穴與水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣；
⑤部分電子和空穴復(fù)合，轉(zhuǎn)化成對(duì)產(chǎn)氫無意義的熱能或熒光。
但是從1972年至今，50年過去了，光分解水一直只是停留在實(shí)驗(yàn)室之中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的地步，主要是因?yàn)檫€有三大難題沒有解決：
制氫效率低下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到10%的臨界線；
催化劑容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，很快失去活性，這使得生產(chǎn)催化劑的成本非常高昂，基本沒有實(shí)用意義；
只有在紫外光照射下才會(huì)產(chǎn)生氫氣。
效率低下一個(gè)主要原因是，由于電子帶負(fù)電，空穴帶正電，異性相吸，這使得“電子—空穴”很容易復(fù)合，導(dǎo)致產(chǎn)氫量子效率低下，嚴(yán)重阻礙了光解水制氫的發(fā)展。因此，如何阻止“電子—空穴”的復(fù)合，提高光催化制氫效率，已成為目前國(guó)際上光催化研究領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一，也是制約光催化制氫技術(shù)實(shí)用化的瓶頸難題。
柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)通過大量研究發(fā)現(xiàn)，選用金屬銅（Cu）改性二氧化鈦（TiO2），采用特別的方法使銅以單原子形式牢固錨定于具有大比表面的TiO2納米顆粒表面，單個(gè)原子作為化學(xué)反應(yīng)的活性位點(diǎn)，使光催化活性達(dá)到最大化，產(chǎn)氫量子效率一下子就大幅提高到56%，在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)了量子效率的突破。
（量子效率，是指光敏器件，如底片、感光耦合元件等，將其受光表面接收到的光子轉(zhuǎn)換為電子-空穴對(duì)的百分比，底片的量子效率通常低于10%。）
銅原子改良二氧化鈦催化制氫機(jī)理圖。Cu+/Cu2+的可逆變化大大促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，大幅提高了光生電子的利用率，使產(chǎn)氫的表觀量子效率達(dá)到56%
純TiO2以及不同金屬單原子負(fù)載TiO2的產(chǎn)氫率，圖中數(shù)據(jù)顯示，銅的產(chǎn)氫率最高。
不同銅原子含量下5小時(shí)的產(chǎn)氫量，從圖表中可以看出，當(dāng)銅原子含量是1.5%時(shí)產(chǎn)氫量最高。
柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)的研究還發(fā)現(xiàn)，改良后的二氧化鈦催化劑活性穩(wěn)定，具有超長(zhǎng)的光催化穩(wěn)定性，歷經(jīng)幾百個(gè)小時(shí)的催化分解反應(yīng)，催化劑的量幾乎沒有衰減。而常規(guī)條件下，即使經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的存放，依然能保持和新制備樣品的同樣產(chǎn)氫性能。這對(duì)于降低制氫成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，免除昂貴的設(shè)備等有著重要的意義。
不同存放時(shí)長(zhǎng)的改良后TiO2產(chǎn)氫的循環(huán)穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。最后一根曲線是顯示存放380天后的性能。
那么，問題來了，柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)的重大發(fā)現(xiàn)，會(huì)讓光分解制氫走向大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用嗎？答案是否定的，這個(gè)發(fā)現(xiàn)還沒有克服第3個(gè)難題：光催化劑只有在紫外線照射之下才會(huì)實(shí)現(xiàn)“水變氫”。
迄今為止，現(xiàn)有光解水催化劑通常在紫外區(qū)才有活性，在波長(zhǎng)400nm以上的可見光范圍內(nèi)，它的轉(zhuǎn)化效率又迅速下降到10%以下。由于地球上空存在臭氧層，太陽紫外線的大部分都被擋在了外太空，到達(dá)地球表面的只有大約4%。太陽光的能量主要集中于可見和紅外光區(qū)。其中可見光占比約為43%，紅外光占比為53%。因此，如果能研發(fā)出可見光甚至是紅外光響應(yīng)的催化劑，我們的好日子才會(huì)到來。