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【光解水】光解水基本原理
發(fā)布時(shí)間：2018-11-05 瀏覽量：16202
光解水-光催化水分解制氫反應(yīng)
70年代初，F(xiàn)ujishima和Hond成功地利用TiO2進(jìn)行光電解水制氫實(shí)驗(yàn)，并把光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能而被儲(chǔ)存起來，該實(shí)驗(yàn)成為光電化學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，并使人們認(rèn)識(shí)到TiO2在光電化學(xué)電池領(lǐng)域中是比較重要的半導(dǎo)體材料。由于所使用的單晶TiO2半導(dǎo)體材料在成本、強(qiáng)度及制氫效率上的限制，該種方法在以后的一段時(shí)間內(nèi)并沒有得到很大的發(fā)展，更談不上走向?qū)嵱没?。進(jìn)入80年代，化學(xué)光電轉(zhuǎn)換研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向人工模擬光合作用，除了自然界光合作用的模擬實(shí)驗(yàn)研究以外，還研究光能—化學(xué)能（光解水、光固氮、光固二氧化氮）和光電轉(zhuǎn)換等應(yīng)用研究，取得了一定的成績。在太陽光中，波長為400 nm以下的紫外光和800 nm以上的紅外光占的比例都很少，而波長為400~800 nm的可見光能量占到整個(gè)太陽能的43 %左右。從理論上說，照到地球表面的太陽能每年有3 1024 J/年，這相當(dāng)于全世界每年能源消耗總量的一萬倍和全世界化石能源總量的1/10。因此，怎樣提高太陽光中的可見光利用率成為這一研究最大的關(guān)鍵點(diǎn)。
光解水-光催化分解水制氫基本原理
通常光催化反應(yīng)分為兩大類，上坡反應(yīng)和下坡反應(yīng)，如圖1所示。上坡反應(yīng)（uphill）必須有光子提供能量才能進(jìn)行，如光催化分解水和植物的光合作用。下坡反應(yīng)（downhill）是能量釋放的過程，如光催化降解有機(jī)物。
圖1 光解水-光催化反應(yīng)的分類示意圖
光降解水制氫氣指用光催化分解水制取氫。催化分解水制氫過程可分成光化學(xué)電池分解水制氫、半導(dǎo)體微顆粒催化劑的光催化分解水制氫和絡(luò)合催化法光解水制氫。因?yàn)楣庵苯臃纸馑枰吣芰康墓饬孔樱úㄩL小于190 nm），從太陽輻射到地球表面的光不能直接使水分解，所以只能依賴光催化反應(yīng)過程。光催化是含有催化劑的反應(yīng)體系，在光照下，激發(fā)催化劑或激發(fā)催化劑與反應(yīng)物形成的絡(luò)合物而加速反應(yīng)進(jìn)行的一種作用。當(dāng)催化劑和光不存在時(shí)，該反應(yīng)進(jìn)行緩慢或不進(jìn)行。
光催化劑是光催化制氫反應(yīng)的基體，一般為半導(dǎo)體化合物。其光催化反應(yīng)原理可用半導(dǎo)體的能帶理論來解釋。與金屬相比，半導(dǎo)體的能帶是不連續(xù)的，在價(jià)帶（VB）和導(dǎo)帶（CB）之間存在一個(gè)禁帶。當(dāng)它受到光子能量等于或高于該禁帶寬度的光輻照時(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、空穴在內(nèi)部電場作用下分離并遷移到粒子表面。光生空穴有很強(qiáng)的得電子能力，具有強(qiáng)氧化性，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面被吸附物質(zhì)或溶劑中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)被氧化，電子受體則通過接受表面的電子而被還原，完成光催化反應(yīng)過程，如圖2所示。
圖2 光解水-多相光催化劑上完全分解水的基本原理
光解水-光催化分解水制氫的過程
整個(gè)光催化分解水的過程如圖3所示：
（1） 半導(dǎo)體光催化劑吸收能量足夠大的光子，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)；
（2）電子—空穴對(duì)分離，向半導(dǎo)體光催化劑表面移動(dòng)；
（3）電子與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；
（4）空穴與水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣；
（5）部分電子與空穴復(fù)合，產(chǎn)生熱或光。
圖3 光解水-光催化分解水的基本過程模型[2]
導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴可以在很短時(shí)間內(nèi)在光催化劑內(nèi)部或表面復(fù)合，以熱或光的形式將能量釋放。因此加速電子—空穴對(duì)的分離，減少電子與空穴的復(fù)合，對(duì)提高光催化反應(yīng)的效率有很大的作用。