太阳能光催化分解水制氢技术研究进展.doc

太阳能光催化分解水制氢技术研究进展+毛肖岸郭烈锦” 太阳能光催化分解水制氢技术研究进展+ 毛肖岸郭烈锦” 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安710049 文摘：车文封利用太阳能辐射通过光催化^L水中制取氢气的理论和技术的国内外研究进展作了简要的概 括·着重对以cds作为光催化剂的光催化分解水制氢技术进行韧步的分折和评述．并提出光催化制氢技术 夸后的研究发展方向． 关键词：太阳能光催化翎氢CdS 0引言 当今工业社会存在能源和环境两大问题．氢气具有无污染、可储存、可运输的特点，以氢气作为燃料和未 来主要的替代能源的观点已日益被人们认同．目前镧氢面临的主要困难之一是寻求一种经济高效的大规模制氢 技术．以地球上最为丰富、廉价易得的永作为制氢的主要原料，不存在像化石燃料可能耗竭那样的威胁．因此 从水中制取氢气是大规模制氢的主要途径之一．1971年釉jishima和Honda“1报道了利用Ti02单晶电掇通过光 分解水产生氢气．开辟了一条光分解水制氢的便捷途径．．由于利用半导体电撮光解承系统结构复杂，组成简单 的光催化系统。其建造和维护成本相对较低。引起了人们的强烈兴趣．在近几十年中。来自化学、物理，材料 等领域的学者对利用太阳瞎透过光催化从水中制氢的理论和技术进行了广泛的研究．积极致力于提高光催化制 氯的效率． I基本原理 要使H扣分解，需要足够的能量打开H20的氢氧键，使之成为H和O原子。再两两结合成相对稳定的m和 饶，其反应式如下： H20—H2+l／202 ED--1．23ev 光催化分解水就是在半导体粉末或胶体水溶液系统中．作为催化剂的半导体的价带中的电子受光激发转移 到导带上．并在半导体和东溶液的界面处将氢离子还原为氢气．同时价带上拘空穴将电子施主氧化的过程．其 中。吸收的光子奇勺能量必须太于或等于半导体的带艨能。光催化分解水的一般反应模式如图I所示a在该模式 中s表示半导体催化剂．它吸收太阳光量子．D代表电子旌主．h表示电子受主，在某些反应过程中也可以是电 子中介化台物． 本文舞圈素重点基趣研究发_援捌硪目艘oOO艘e4。2和目采自蔗科学基金5∞榭资脑·#通售襄景人，教授，傅导 圈1光催化分解水的反应的一般模式 半导体催化荆受光激发，其价带中的电子跃迁到导带中．而在价带中产生相应数量的空 圈1光催化分解水的反应的一般模式 半导体催化荆受光激发，其价带中的电子跃迁到导带中．而在价带中产生相应数量的空 穴．形成所谓的电子空穴对．当半导体导带的底边高于氢的还原能级H+／＆(更负)时．氢 被还原，当半导体价带的顶边低于氧的氧化能级0}r／仅，则相应的氧离子被氧化为氧气放出。 对于导带不够高或价带不够低的半导体催化荆可以采用一定的措施，比如加入氧化还原催化 荆、两种不同禁带宽度的半导体材料共用等．以提高产氢效率。 半导体光催化剂的制备原料与方法决定了影响其活性的化学成分、结构等物理化学特 性。要实现通过光催化分解水直接转化太阳能，使用带隙约为2．OeV的半导体是比较合适的． 文献中研究较多的光催化剂有Ti氇、■仉和CdS、ZnS、ISt等一些氧化物、硫化物半导体．而 对Ti魄光催化剂的研究相对比较成熟。CdS的带隙能El为2．4eV，与Ti凸的R(3．2eV)相 比，CS的带隙能较小，更适于产氢。而且CdS的平带电势更负，在太阳光谱的可见光区域 有更好的吸收特性。理ie上，利用CdS作为光催化荆进行光分解水制氢更有优势．为提高 CdS半导体的光催化产氢效率，人们采取了各种措施，比如在半导体中掺杂Pt：利用染料如 Ru(bpy)。”敏化半导体；在半导体中混合宽带隙半导体，如Ti仉、ZIls善用以强化半导体光催 化剂的催化活性。另外还使用如硫化物、亚硫酸盐、FⅡYrA等牺牲介质以减轻半导体的光腐 蚀，使用甲酸盐和乙二酸盐作为空穴消除剂以及外加偏电压以提高CdS半导体的光催化分解 水产氢速率。下面我们在对利用光催化剂分解水制氢研究进行概述的基础上．着重对CdS 光催化制氢进行阐述． 2前人工作评述 利用纯净的CdS半导体从水中制取氢气．产氢速率很低，只有0．83 mlh。g- ”．而基于 电化学理论分析．利用CdS光催化分解水具有一定的条件，通过采取各种措搪得出的实验结 果说明，对催化剂进行适当的处理，可以将CdS的产氢速率成倍的增加． a．光催化剂的改性 催化荆是光催化反应的内因，改变光催化剂的物理化学性质是摄高反应速率的主要途 径。光产氢效率可能受到的影响主要来自几个方面：CdS的晶体结构{掺杂还原反应催化 剂Pt的方法以及Pt的重量百分比；光激发产生的电子空穴对的复合；半导体催化剂制备方 法。文献中主要采取的措施包括：加载贵金属．可以起到提高光生电子的输运速率，抑制电 子和空穴复台的作用：离子掺杂，可在半导体晶格中引