利用可见光催化分解水制氢的研究进展
光催化分解水的研究进展
光催化
光催化
光催化
在光催化剂 (CdS) 表面共担载 还原 (Pt) 和氧化 (PdS) 双组份 共催化剂，有效地解决了电子 和空穴的分离和传输问题，利 用牺牲试剂在可见光照射下取 得了93%的产氢量子效率，已 经接近自然界光合作用原初过 程的量子效率水平。由于氧化 共催化剂的担载有效地避免了 光催化剂的光腐蚀现象，使该 三元催化剂表现出很高的稳定 性，显示出重要的工业应用前 景。
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2（E＝0 V）
2.4
O2/H2O（E＝1.23 V）
2.0 3.0 光催化
绝大部分只
能吸收不到
5％的太阳
光(紫外部
光催化
展望
太阳能的开发利用是人类进入21世纪必须解决 的难题，而研制在可见光区高效稳定的光催化材料是 今后利用太阳能制氢的关键内容。应重视和加强光催 化分解水的基础理论研究，此外，应建立光催化分解 水循环反应体系，重视光催化分解水制氢设备的研究。
光催化
/news-2009/yjz/20090812.htm /
光催化
作为层状复合氧化物的代表 , K4Nb6O17
光催化
具有两种不同的层空间 (层Ⅰ 和层Ⅱ)交错形 成的二维结构, 大部分负载的助催化剂 NiO经过 氧化还原处理后的超细 Ni粒子 (0 . 5 nm)进入层 Ⅰ , 少数沉积在催化剂表面. 紫外光辐照下光生 电子在层Ⅰ 还原水制氢气, 光生空穴在层Ⅱ 氧化 水制氧气.
光催化水分解制氢技术的进展
光催化水分解制氢技术的进展氢气作为一种环保、高能量密度的燃料，受到了广泛关注。
目前，国内外学术界和工业界都在不断探索新的制氢技术，其中光催化水分解制氢技术备受瞩目。
本文将介绍光催化水分解制氢技术的原理、材料和设备、研究进展以及前景展望。
一、原理光催化水分解制氢技术利用光能激发半导体材料产生电子-空穴对，进而催化水分子的分解，释放出氢气。
这一过程主要包括光吸收、电子-空穴分离、氧气发生反应和氢气发生反应四个步骤。
在光吸收阶段，半导体材料吸收光能，电子从价带跃迁至导带，产生电子-空穴对。
接下来，电子-空穴对被分离，电子通过导带流动到阳极，而空穴则流向阴极。
在氧气发生反应阶段，电子与水中的氧气发生氧还原反应，产生氧化还原活性位点。
而空穴与水中的氢离子发生氢还原反应，产生氢气。
这两个反应共同推动了水的分解。
二、材料和设备光催化水分解制氢技术的核心在于光催化剂的选择。
常用的光催化剂包括金属氧化物、半导体材料和有机-无机复合材料等。
金属氧化物主要包括二氧化钛、氧化锌等。
半导体材料则包括氮化硅、硫化镉等。
有机-无机复合材料则是将半导体材料与有机分子进行复合。
此外，还需要光源、电解池和电子传输层。
光源提供所需的光能，电解池用于收集产生的氢气，而电子传输层则负责将导电材料和催化剂连接起来，促进电子传输。
三、研究进展光催化水分解制氢技术自提出以来，经历了多年的研究和探索，取得了一系列重要进展。
1. 材料优化研究人员通过调控光催化剂的结构和成分，提高其光吸收能力和光生电子-空穴对的分离效率。
例如，采用纳米结构材料可以增加光吸收表面积，提高光催化效果。
2. 催化剂设计针对氧气发生反应和氢气发生反应，研究人员还设计了不同类型的催化剂。
某些催化剂具有优异的氧还原和氢还原催化活性，能够提高制氢效率。
3. 能源可持续性为了实现对可再生能源的利用，研究人员开始探索使用太阳能、风能等可再生能源作为光源，结合光催化水分解技术实现制氢。
α-Fe2O3光电催化分解水制备氢气研究进展
2017年第36卷第2期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·397·化工进展α-Fe2O3光电催化分解水制备氢气研究进展王开放，刘光，高旭升，贺冬莹，李晋平（太原理工大学精细化工研究所，山西太原 030024）摘要：光电化学池可以将太阳能以氢气的形式储存起来，其中稳定、廉价的催化剂是关键。
α-Fe2O3具有合适的禁带宽度，较高的理论光-电转化效率，光稳定性好，在地壳中的储量丰富，被认为是最具有发展前景的光电催化材料之一；但是它的导电性差、光生电荷寿命短、氧化反应过电位高，严重阻碍了其发展。
本文首先介绍了光电催化理论，然后重点综述了近些年α-Fe2O3纳米结构的制备技术，以及针对其不足所采用的改性方法，包括通过元素掺杂来增强α-Fe2O3的导电性，表面处理来降低氧化反应过电势或陷阱浓度，与其他材料复合来增加光生电压或催化剂表面积，最后对α-Fe2O3作为光阳极催化剂分解水制氢未来的发展前景作出展望，指出多种手段的有效结合是提高其光电流密度的重要途径。
关键词：赤铁矿；太阳能；光电催化；水解；氢气中图分类号：O614.81；O644.16；TQ116.2 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）02–0397–13 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.001Hematite photoanodes for solar water splittingWANG Kaifang，LIU Guang，GAO Xusheng，HE dongying，LI Jinping （Research Institute of Fine Chemicals，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）Abstract：Photoelectrochemical cell is able to turn sunlight into stored energy conveniently in the form of hydrogen，and the stable and low-cost photoanode catalyst is crucial in this device. Hematite is considered as one of the most promising photoanode catalysts due to its suitable band gap，high theoretical solar to hydrogen efficiency，chemical stability under illumination and rich storage in earth.However，the poor conductivity，short photo-generated charge carrier lifetime and high turn-on voltage have limited the performance improvement of hematite severely. This review introduces the basic mechanism of photoelectrocatalysis and energy band excitation，then it summarizes the synthesis of nanostructure α-Fe2O3 and the improvements on the photoelectrocatalysis property of hematite in recent years，including conductivity enhancement by element doping，oxygen evolution overpotential or trap concentration reduction by surface treatment，and photo-induced voltage or specific area increase by coupling with other materials. The future developing perspectives of hematite are also presented，and multi-modified technologies are considered as important ways to improve the photocurrent density.Key words：hematite；solar energy；photoelectrocatalysis；hydrolysis；hydrogen随着全球经济的不断发展，人类对能源的需求量持续扩大，全球能源的消耗仍然是以化石能源为主，但是化石燃料储量有限、生成周期长，难以满足持续大量的需求，而且常规能源的广泛应用所引起的环境问题日益凸显。
光催化水分解制氢技术的研究进展
光催化水分解制氢技术的研究进展随着全球能源需求的不断增长以及环境问题的日益突显，清洁能源的开发和利用成为了人类关注的焦点。
氢能作为一种清洁、高能量密度的能源媒介，备受研究者的关注。
然而，有效、经济地制备氢气仍然是一个具有挑战性的问题。
光催化水分解制氢技术作为一种可持续、环保的制氢方法，正在获得越来越多的关注和研究。
光催化水分解制氢是利用光催化材料吸收太阳能，并将其转化为化学能的过程。
实现光催化水分解制氢主要涉及两个关键步骤：水溶液中的光生载流子的产生和将光生载流子转化为氢气和氧气的催化反应。
在这个过程中，催化剂起到了至关重要的作用。
当前，以半导体材料为基础的催化剂是光催化水分解制氢技术的主要研究方向之一。
例如，二氧化钛（TiO2）是广泛研究的光催化剂之一。
然而，纯二氧化钛表现出较大的能带间隙，仅能吸收紫外光，限制了其在可见光范围内的应用。
为了拓宽光吸收范围，研究人员进行了多种改性。
例如，通过离子掺杂或负载适量的金属纳米颗粒等方法，改善材料的光催化性能。
此外，一些新型的材料催化剂也受到了广泛研究。
例如，铁基或钼基催化剂在光催化制氢研究中显示出良好的催化活性和稳定性。
这些新型催化剂不仅能够有效地利用可见光，而且其优异的光电催化性能在提高效率和抑制光生电子-空穴对的复合方面具有优势。
除了光催化剂的研究外，反应条件的优化也是光催化水分解制氢领域的重要研究方向之一。
反应的温度、光照强度、溶液酸碱度等都对催化剂的性能和氢气生成速率有着重要影响。
因此，通过合理调控这些反应条件，可以提高光催化水分解制氢的效率。
光催化水分解制氢技术的研究进展不仅依赖于催化剂的设计和合成，还需要对光催化机理进行深入研究。
实验和计算相结合的方法被广泛应用于光催化机理的研究。
通过实验手段，研究人员可以发现反应中的中间体和活性物种，并理解光催化反应过程中的能量传递。
同时，计算手段可以对催化剂的结构和性质进行模拟和预测，为催化剂的设计提供指导。
太阳能光催化分解水制氢技术研究进展
太阳能光催化分解水制氢技术研究进展太阳能光催化分解水制氢技术的研究已经成为全球能源领域的一个热点，其目的是通过使用太阳能来驱动水的分解，生产出氢气，这种氢气被认为是未来能源的替代品，在减少碳排放和保护环境方面具有重要的意义。
一、太阳能光催化分解水制氢原理太阳能光催化分解水制氢技术的基本原理是利用光催化剂和太阳能光合作用，将水分子分解成氧气和氢气。
一般而言，光催化剂可以通过吸收太阳光的能量来激发电子，这些电子和空穴对随即在催化剂表面进行一系列的反应，并促进水的光分解，生成氢气和氧气两种气体。
二、太阳能光催化分解水制氢技术的研究进展太阳能光催化分解水制氢技术是一项非常复杂的工程，需要涉及到多个领域的研究，如光学、化学和材料科学等。
目前，全球在这个领域的研究已经取得了很多进展，主要表现在以下几个方面：1. 研究催化剂的种类和性质太阳能光催化分解水制氢技术中催化剂的性质对反应的效率和选择性起着非常重要的作用。
因此，研究人员一直在探索新的催化剂，如二氧化钛、氧化锌、氧化铟等。
此外，人们还试图在催化剂上添加其他元素或化合物，以提高催化剂的光吸收能力和活性。
2. 增加光催化剂的光吸收能力太阳能光催化分解水制氢技术需要的能量来自太阳光，因此催化剂的光吸收能力是非常关键的。
研究人员目前正在进行的工作包括增加催化剂的表面积、制备纳米级别的催化剂以及在催化剂表面上引入量子点等。
3. 提高光催化反应的效率和选择性光催化技术中反应的效率和选择性是非常重要的指标，也是研究人员一直在努力提高的方面。
为了提高效率和选择性，研究人员在催化剂的选择、反应条件的控制以及反应机理的研究上都进行了大量的工作。
4. 开发高效的太阳能收集系统太阳能光催化分解水制氢技术需要大量的太阳能来驱动水的分解。
因此，开发高效的太阳能收集系统也是当前研究的重要方向之一。
研究人员开发的太阳能收集系统包括使用反射器和光学透镜来聚焦太阳能、开发高效的光伏电池等。
光电催化制氢研究进展
光电催化制氢研究进展近年来，随着能源问题的日益突出和可再生能源的迅速发展，光电催化制氢技术备受研究者的关注。
光电催化制氢是一种基于太阳能和光电催化材料将水分解成氢气和氧气的技术，具有绿色环保、高效能的特点。
本文将介绍光电催化制氢研究的最新进展。
首先，光电催化制氢的关键是光电催化材料的设计与合成。
传统的光电催化材料一般是由半导体材料和催化剂组成，如二氧化钛/铂(TiO2/Pt)、钙钛矿材料等。
近年来，研究者们对光电催化材料的结构和性能进行了深入的研究，发现不同结构和形貌的材料会影响光电转化效率。
例如，金属-有机骨架材料(MOFs)和碳基催化材料在光电催化制氢中表现出了潜在的应用前景。
研究者们通过改变材料的结构和改进催化剂的活性，提高了光电催化制氢的效率。
其次，光电催化制氢的机理研究也是当前的热点。
光电催化制氢的关键步骤包括光吸收、电子传输和催化反应。
通过实验和理论计算，研究者们发现，材料的能带结构、光激发过程和界面的电子转移等因素对光电催化制氢的效率有着重要影响。
研究者们通过调控光电催化材料的能带结构和界面结构，来提高光电转化效率。
此外，研究者们还发现光电催化材料中的缺陷和杂质与催化活性之间存在着密切关系，通过控制材料的缺陷和杂质含量，可以提高光电催化制氢的效率。
最后，光电催化制氢的应用研究也取得了显著的进展。
光电催化制氢技术具有独特的优势，逐渐成为替代传统水电解制氢技术的重要手段。
研究者们在光电催化制氢技术的应用方面进行了广泛的探索，包括光催化水制氢和人工光合作用等。
同时，光电催化制氢技术也与其他能源技术相结合，用于驱动燃料电池和储能设备，实现能源的转换和储存。
总之，光电催化制氢技术是一种具有广阔应用前景的可再生能源技术。
通过对光电催化材料的设计与合成、机理研究以及应用研究，可以提高光电催化制氢的效率和稳定性。
未来，光电催化技术将为氢能源和可再生能源的发展做出更大的贡献。
光解水制氢催化剂的研究进展
２０１５年１１月第２３卷第１１期 工业催化ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬＣＡＴＡＬＹＳＩＳ Ｎｏｖ．２０１５Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ．１１综述与展望收稿日期：２０１５－０４－２１ 作者简介：李光炎，１９９０年生，男，在读硕士研究生，研究方向为金属配合物合成。
通讯联系人：蔡秀兰，博士，副教授，硕士研究生导师，广东省千百十培养对象，主要从事精细化工及清洁能源转化的研究。
光解水制氢催化剂的研究进展李光炎，蔡秀兰（广东药学院，广东广州５１０００６）摘 要：面对人类对能源的需求持续增长以及化石能源的日益枯竭和其带来的环境污染问题，开发太阳能对于解决能源问题具有非常重要的意义。
利用太阳能分解水制氢是一种将太阳能转换为氢能的有效方式。
根据近年来国内外太阳能分解水制氢催化剂的研究现状，分别对半导体光催化剂和金属配合物光催化剂进行综述，并且从可持续发展和实际应用的角度出发，针对各自的优缺点，提出今后应该开发具有高效且成本低廉的非贵金属配合物光催化剂，或尝试与半导体光催化剂结合应用，提高制氢效率。
关键词：催化化学；太阳能；水分解；制氢；光催化剂ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８ １１４３．２０１５．１１．００２中图分类号：Ｏ６４３．３６；ＴＱ４２６．９９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８ １１４３（２０１５）１１ ０８５４ ０６ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓｆｏｒｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｒｏｍｗａｔｅｒＬｉＧｕａｎｇｙａｎ，ＣａｉＸｉｕｌａｎ（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｓｔｅａｄｙｇｒｏｗｔｈｏｆｅｎｅｒｇｙｄｅｍａｎｄ，ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｆｏｓｓｉｌｅｎｅｒｇｙａｎｄｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｃａｕｓｅｄｂｙｆｏｓｓｉｌｅｎｅｒｇｙ，ｉｔｈａｓｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｐｒｏｂｌｅｍｂｙｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．Ｉｔｉｓａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｙｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｔｏｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇｙｂｙｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇｗａｔｅｒｔｏｈｙｄｒｏｇｅｎｏｎｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｔｏｈｙｄｒｏｇｅｎｂｙｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ，ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓａｎｄｍｅｔａｌｃｏｍｐｌｅｘｅｓｃａｔａｌｙｓｔｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｉｔｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈａｔｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｏｆｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｏｎ ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌｃａｔａｌｙｓｔｓｗｉｔｈｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔｓｈｏｕｌｄｂｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｒｔｈｅｎｏｎ ｎｏｂｌｅ ｍｅｔａｌｃａｔａｌｙｓｔｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓｓｈｏｕｌｄｂｅｔｒｉｅｄｔｏｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｔａｌｙｔｉｃｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ｗａｔｅｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８ １１４３．２０１５．１１．００２ＣＬＣｎｕｍｂｅｒ：Ｏ６４３．３６；ＴＱ４２６．９９ Ｄｏｃｕｍｅｎｔｃｏｄｅ：Ａ ＡｒｔｉｃｌｅＩＤ：１００８ １１４３（２０１５）１１ ０８５４ ０６ 氢气具有高效、清洁和能效高的特点，成为重要的新能源。
基于MOFs材料光催化分解水制氢的研究进展
受新冠肺炎疫情等影响，全球传统化石能源供应日趋紧张，绿色清洁新型能源的转型发展也越来越紧迫，氢能作为目前最具潜力的清洁能源，在交通、储能、建筑和分布式发电等领域都有着广阔的应用前景，是助力中国“双碳”目标和全球能源生产消费革命、构建低碳高效能源体系的重要抓手。
太阳能是全球分布最广泛均匀的清洁能源，利用太阳能分解水制氢可从源头阻断碳排放，这种绿色环保的技术将会在未来的氢能生产中占据主力位置，是解决能源危机和改善环境的最佳选择之一。
太阳能分解水制氢技术目前研究较多的主要有光催化法制氢、光热分解法制氢和光电化学法制氢，其中，光催化法制氢体系简单、催化剂来源广泛、成本较低，可有效捕获、转换和储存太阳能，被认为是现阶段最具应用发展前景的太阳能制氢技术之一。
光催化剂是光催化分解水制氢体系的核心，通过太阳光激发光催化剂价带（VB）上的电子并跃迁至导带（CB），产生光生电子及空穴，光生电子空穴对分离并迅速转移至光催化剂表面，电子与H+发生还原反应生成H2，空穴则氧化水产生O2。
然而，传统的光催化剂中的电子可能会与空穴发生表面或体相复合，导致光催化反应效率降低，且存在太阳光利用率不高等问题。
若要保证光生电子与空穴的分离效率以及光利用率，使反应尽可能地向生成H2的方向进行，寻找新型高效的光催化剂材料显得尤为重要。
其中，设计制备金属有机框架（MOFs）光催化材料催化分解水制氢是近年热门研究方向之一。
MOFs主要代表类型有：以Zn、Co等过渡金属与咪唑类有机物配位而成的ZIF系列、以Fe、Cr等过渡金属或镧系金属与芳香羧酸类配体配位而成的MIL系列，以及主要以Zr金属与对苯二甲酸配位而成的UiO系列等。
这些MOFs材料在光催化分解水制氢的相关应用研究正逐年上升，但单一MOFs光催化材料仍存在光生电子空穴对分离率较低、稳定性较差等问题，在一定程度上降低了其制氢效率的进一步提升。
美国能源科学部认为太阳能转换氢能效率达到10%以上，太阳能光催化分解水制氢才能实现初步工业化，而MOFs光催化活性离该目标还有一定差距。
光催化水分解制氢产业发展动态
光催化水分解制氢产业发展动态
光催化水分解制氢技术是一种利用太阳能将水分解成氢气和氧
气的技术。
随着全球对清洁能源的需求不断增加，光催化水分解制
氢技术正逐渐成为可持续能源领域的热门研究方向。
本文将介绍光
催化水分解制氢产业的发展动态，以及该技术在清洁能源领域的应
用前景。
首先，光催化水分解制氢技术具有巨大的潜力。
相比传统的化
石燃料，氢气是一种清洁的能源载体，燃烧产生的唯一副产品是水
蒸气，不会产生二氧化碳等温室气体，因此被视为未来能源的重要
选择。
而光催化水分解制氢技术正是利用太阳能来驱动水分解，因
此具有很高的环保性和可持续性。
其次，光催化水分解制氢技术在产业化方面也取得了一定的进展。
许多国家和地区都在加大对光催化水分解制氢技术的研发和产
业化投入，以推动清洁能源产业的发展。
在实验室规模上，已经有
不少研究机构和企业成功地开发出了高效的光催化水分解制氢催化
剂和反应器，为该技术的产业化奠定了坚实的基础。
最后，光催化水分解制氢技术在清洁能源领域的应用前景广阔。
随着技术的不断成熟和成本的不断降低，光催化水分解制氢技术将
有望成为未来清洁能源的重要来源之一。
氢气可以被用于燃料电池
发电、氢气车辆等领域，为解决能源和环境问题提供了新的可能性。
总的来说，光催化水分解制氢技术的发展动态令人振奋。
随着
全球对清洁能源的需求不断增加，光催化水分解制氢产业有望迎来
更加广阔的发展空间，为推动清洁能源产业的发展做出更大的贡献。
希望在不久的将来，光催化水分解制氢技术能够成为清洁能源产业
的重要支柱之一。
高压下TiSi_2可见光光热催化分解水制氢的研究
Ｋｅ ｒ ｓ Ｈｉ ｈ Ｐ ｅ ｓ ｒ ； ｈ ｔｔ ｅ ｍａｃ ｔｌｔ ；Ｗ ａｅ ｔ ａ Ｓ ｌ ｔ ｇ；Ｔ ｔ ｎｕ Ｄ ｓｌ ｉｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｇ ｒ ｓ ｕ Ｐ ｏｏ ｈ ｒ ｌ ａａｙ ｉ ｅ ｃ ｔ ｒＳ ｒ ｍ ｐ ｉ ｉ ｅ ｔｎ ｉ ｉ ｍ ｉｉ ｃｄ ａ ｉ
显 著提 高了 Ｔ ｉ ｉ： Ｓ 催化剂光催化分 解水制氢速率 。添加 ＮＯ ａ Ｈ和 Ｎ２ Ｏ 有利 于水分解制 氢的反应 进行 ， ａＣ ， 在一 定 范围内 ，ａ Ｈ和 Ｎ＝ Ｏ 浓度 增加 ， 速率增加 。研 究还发 现 ， 载贵 金属 Ｐ 或 Ｒ 对反应 速率没有 显 ＮＯ ａ ， Ｃ 放氢 担 ｔ ｕ
ｗ ｓ ｐ ｏ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｓ ｉ ｌ ａ ｏ ｓ Ｗ ｌ ｒ ｐ ｓ ｃ ｏ ｄ ｎ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｚ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｆＵＶ－ ｉ ＤＢ ＸＲＤ ａ ｄ ＸＰ ｎ ａ ｒ ｂ ｄ， ｎ ｈ ｏ ｓｂ ｅｒ ｓ ｎ ａ ａｓ ｐ ｏ ｅ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｔｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ａ ｉ ｕ ｔ ｏ ｅ Ｓ ｏ ｏ ｄ ｏ ｉ ｏ ｅ ｓ ｖｓ Ｓ， ｎ Ｓ ｉ
高压 下 ＴＳ２ 见 光 光 热催 化 分 解 水 制 氢 的研 化学物理研究所 羰基合成与选择氧化 国家重点实验室， 甘肃 兰州 ７ ００ ） ３００
摘要 ： 系统地 研究 了高压下一 系列 ＴＳ ｉｉ 催化剂 的可见 光光 热催 化分解水制氢 行为。研究 结果表 明 ， 压力增加
７３ １
给体的种类和浓度 刮等诸多 因素的制约 ， 循环光 催化分解水 的效率也还比较低 ； 并且催化剂对可见 光吸收、 阳能转化效率和催化剂稳定性等重要问 太 题同样未得 到明显改善 。而气 固相光催化反应受 到的制约条件则 比较少 ， 主要受温度和压力影响。 迄今为止 ， 关于气固相光催化分解水反应制氢的报 道还不多见 。如 Ｄ ｍ ｅ ａ ｍ 等人利用质谱在紫外光照 射流过 Ｔ ： ｉ 表面的潮湿氩气流中检测到痕量的 Ｈ Ｏ ： 和足量的 Ｏ ， ：认为催化剂表面 Ｔ ｉ 的存在对光催化 分解水而言是必要 的 ；ｏ ｏ ａ ａ等人也报道 ， Ｔ ｍ ｊＫ ｗ ｉ ｉ 汞灯照射含有 Ｒ Ｏ 的 ＴＯ 催化剂粉末 时， ｕ ： ｉ 水蒸气 分解会连续产生氢气和氧气 。 Ｊ 作为一种新型的非氧化物半导体材料光催 化 剂 ，ｉ ： ＴＳ 不仅价格相对 低廉 ， ｉ 而且储 量丰富。但其 在光催化分解水方 面的应用 却很少 。Ｌ ｉ Ｙ等人 ｎ 曾合成 了具有核壳结构 的 ＴＯ／ ｉｉ 并用于光电 ｉ：ＴＳ ， 分解水制氢 。该催化体 系中 ， 有较高 比表 面积 具 的 Ｔｓ 纳 米 网 被 用 作 支 撑 结 构 ， 大 地 提 高 了 ｉｉ 极 ＴＯ 的光吸收性能 ； ｉ２ 同时 ，ｉ ＴＳ 的高导 电性也增强 ｉ 了电荷的传输 ， 使得单 色紫外光 的可利用率 高达 １．％ 。Ｐｔ ｉｅ ｋｍ 等人研究发现 ， ６７ ｅ ｒ ｔｒ ａ ｐ ｅ Ｒ ｔｓ 可见 光光照下在非金属氧化物 ＴＳ： ｉ 表面可 以分别形成 ｉ 水 的氧化 （ 生成 氧气 ） 和质子 的还原 （ 形成 氢气 ） 两个催化 中心 ， 该过程包含光致发光作用 ； 而且在 水 中生成 的稳定纳米级氧化物薄膜有效地抑制 了 硅化物表层的进一 步氧化 Ｊ 。ｕ 等 人也在 高压 下对 ＴＳ 催化剂上水蒸气的光热催化放氢反应进 ｉ： ｉ 行 了初步研究 ， 发现反应压力 对光催化制 氢反应 有 重 要 作 用 ，高 压 下 量 子 利 用 效 率 可 达 ２．ｌ ］ ２ ０ ％ 。这些文献结果表 明，ｉ ２ ＴＳ 是一种较有 ｉ 潜力 的新型 光催 化材 料 。 本文主要 以 ＴＳ 为光催化分 解水催化剂 ， ｉ： ｉ 比 较了常压和高压条件下 ＴＳ 催化剂上光解水蒸气 ｉ： ｉ 放氢 的差异 ， 并考 察 了高压下 在气 固相反 应 中碱 的添加对光催化分解 水蒸气制 氢反应 的影 响 ， 还 探讨 了负载贵金属后 ＴＳ 催化剂对光催化分解水 ｉ： ｉ 制氢 行 为 的影 响 。
可见光分解水制氢催化剂的研究进展
关 键词 ：光催化 ；分解 水 ；可见 光 ；氢
中 图分类 号 ：０ ３３ ４ ６ ．６
文献标 识码 ：Ａ
煤和石油等化石燃料消耗量的 日 益增加 ，其储量 日益减少 ，终有一天这些资源将会枯竭 。这就迫 切需要寻找一种不依赖化石燃料的，储量丰富的新型能源。氢能正是人们所期待的这种二次能源之一。 氢是 自然界存在最广泛的元素 ，据统计它构成 了宇宙的 ７ ％。大量存在于水中。氢作为能源，有以下 ５ 特点：发热值很高 ， 是汽油的 ３ ； 倍 易储运 ， 适应各种环境 的要求；本身无毒，且燃烧时只产生水，没
导体 上产 生 的电子通 过外 电路 流 向阴极 ， 中的质 子从 阴极 上接受 电子产生 氢气 。 水 这种 方法 可 以分 别在
两极得到氢和氧 ，而不是混合气 。 ２ 半导体光催化法。即将 ＴＯ 或 Ｃ Ｓ等半导体光催化剂微粒直接 （） ｉ２ ｄ 悬浮在水 中进行光解水反应 。 半导体光催化在原理上类似于光电化学池 ， 细小的半导体微粒可以被看作
电极 导致 水分解 产 生氢 的发 现 ，揭示 了太 阳能 制氢 的可能 性 。目前 ，利用 太 阳能光 解制 氢 的研究 主要集 中于 ：（ ）光 电化 学 法Ｌ Ｊ １ ２ ，即通 过光 阳极 吸收 太 阳能并 将光 能转 化 为电 能 。光 阳极 通常 为光 半导 体材
料， 受光激发可以产生电子一空穴对 ， 阳极和阴极组成光化学电池 ， 在电解质存在下光 阳极吸光后在半
的分解电压为 １ ｅ 左右。当它受到其能量相当或高于该禁带宽度的光辐照时 ， ．ｖ ８ 半导体 内的电子受激发
水是一种非常稳定的化合物。从水这一 反应物到氢气和氧气产物的变化 ，是一个 自由能增大的非 自发反应过程。在标准状态下若要把 １ ｏ 的水分解为氢气和氧气 ，则需 ２ ７ Ｊ ｌ ｍ ３ 的能量 。 ｋ
光解水制氢的原理与发展前景
光解水制氢的原理与发展前景
光解水制氢是一种利用太阳能将水分解成氢气和氧气的过程。
它基于光催化原理，通过使用光催化剂吸收太阳能，促使水分子发生光解反应，产生氢气和氧气。
光解水制氢的原理可以简单描述为：当光照射到光催化剂上时，光子的能量激发了催化剂的电子，使其跃迁到更高能级。
这些激发态的电子可以与水中的分子发生反应，将水分解成氢气和氧气。
通常情况下，需要一种辅助材料来促进反应，例如负责传递电子的电子传递剂。
光解水制氢具有许多潜在的优势和发展前景：
1. 可再生能源：光解水制氢利用太阳能作为能源，不会产生二氧化碳等温室气体，是一种环保的能源生产方法。
2. 氢气是清洁能源：制得的氢气可以用作清洁能源，燃烧时只产生水蒸气，不会产生有害气体。
它可以用于燃料电池、氢能源储存等应用领域。
3. 资源丰富：水是地球上最丰富的资源之一，光解水制氢可以利用水资源生产氢气，相比于传统的化石燃料，资源更加充足。
4. 储能技术：光解水制氢可以将太阳能转化为氢气，而氢气可以被储存并在需要时使用，解决了太阳能供应不稳定的问题。
然而，目前光解水制氢还面临一些挑战和限制，如催化剂的效率和稳定性、成本等方面。
但随着科学技术的进步和投入的研发努力，光解水制氢有望成为未来清洁能源领域的重要技术之一。
新型清洁能源光催化分解水制氢技术的研究
新型清洁能源光催化分解水制氢技术的研究光催化分解水制氢技术是一种新型清洁能源技术，其原理是通过光催化反应将水分解成氢气和氧气，从而提供清洁的燃料，同时减少二氧化碳的排放量。
该技术在可再生能源领域具有广阔的应用前景，因此受到越来越多研究人员的关注。
光催化分解水制氢技术基本原理光催化分解水制氢技术是利用半导体催化剂吸收光子能量，使得电子从价带跃迁到导带，进而形成光生电子和空穴。
光生电子和空穴能够参与水分子的还原和氧化反应，从而分解水成氢气和氧气。
半导体催化剂常用的有二氧化钛、二氧化硅、纳米晶体等。
其中，二氧化钛催化剂是最为常用的，其光吸收范围广，催化剂的价格也相对较低。
此外，二氧化钛催化剂的表面积相对较大，可以增加反应物和催化剂之间的接触面积，从而加快反应速率。
目前，光催化分解水制氢技术的研究主要集中在催化剂的制备、光催化反应机理的研究、光催化反应装置的设计等方面。
催化剂的制备催化剂的制备是光催化分解水制氢技术的重要研究方向。
目前，研究人员主要采用溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积法等方法制备催化剂。
其中，溶胶-凝胶法制备的二氧化钛催化剂结构稳定，而气相沉积法制备的催化剂晶格缺陷少，光催化活性较高。
此外，还有一些新型催化剂被开发出来，如碳量子点催化剂和碳纳米管催化剂等，这些催化剂具有器件简单、催化活性高等优点，成为研究的热点。
光催化反应机理研究光催化反应机理是光催化分解水制氢技术的重要研究问题。
近年来，研究人员通过计算模拟、光电子能谱等方法，逐步揭示了光催化反应机理。
在二氧化钛催化剂的光催化反应中，光生电子和空穴可以通过复合过程产生氢气和氧气。
此外，还有一些反应副产物如一氧化碳和甲烷等。
光催化反应装置的设计光催化反应装置的设计是光催化分解水制氢技术的又一个重要研究方向。
目前，研究人员主要采用反应釜、光纤反应器、光伏电池反应器等不同类型的反应器进行研究。
此外，还有一些新型反应器如微流控芯片反应器被研发出来，具有器件小型化、反应速率高等优点。
光电催化水分解制氢技术的研究进展
光电催化水分解制氢技术的研究进展随着全球能源需求的不断增长以及对环境保护的日益重视，可再生能源成为了越来越多国家和科学家的关注焦点。
而其中，光电催化水分解制氢技术作为一种能够高效转化太阳能的方式，受到了越来越多的关注和研究。
光电催化水分解技术是利用太阳能转化为化学能，将水分解为氢气和氧气的过程。
其中，光电催化材料是关键的组成部分，能够吸收太阳能并利用光生载流子进行催化反应。
而制氢反应的关键步骤是光生载流子分别在阳极和阴极发生还原和氧化反应，从而产生氢气和氧气。
目前，研究人员主要关注于提高光电催化材料的吸收率、传输率和催化效率，以实现高效的水分解制氢技术。
一种常用的光电催化材料是二氧化钛（TiO2），它具有良好的光吸收和电子传输性能。
然而，TiO2的带隙能量较大，只能吸收紫外光，导致能量利用率较低。
因此，研究人员开始开发其他材料，如改性TiO2、二氧化硅（SiO2）和金属氧化物等，以扩宽吸收光谱范围。
此外，研究人员还通过控制催化剂的形貌、晶体结构和掺杂等方法，来提高催化效率和稳定性。
除了光电催化材料的研究外，提高光电催化水分解系统的效率也是一个重要的研究方向。
研究人员通过设计合适的反应器结构、优化电解液组成和改善电池组件的设计，来提高整个系统的光电转化效率。
例如，引入光学级玻璃反射器可以增强光吸收；调节电解液pH值可以提高反应速率；设计纳米结构电解质膜可以提高氧气区域选择性。
这些技术的引入都有助于提高系统的效率和稳定性。
此外，探索催化反应机理也是光电催化水分解技术研究中的重要方向。
通过深入了解催化反应的机理，可以指导新材料的设计和优化，并揭示反应过程中的关键步骤和限制因素。
例如，一些研究表明，光电催化水分解反应可能涉及到多步催化过程，其中包括光吸收、电荷传输、催化物表面吸附和解离等。
因此，研究人员通过实验和理论模拟相结合的方法，力求揭示催化反应的具体机制。
尽管光电催化水分解制氢技术在科学界和工业界都受到了广泛关注，但仍然存在许多挑战需要克服。
光催化水分解制氢技术的研究进展
光催化水分解制氢技术的研究进展近年来，随着全球能源危机的日益严重和环境问题的日益突出，寻找替代能源的研究变得愈发重要。
在这个背景下，光催化水分解制氢技术备受关注。
光催化水分解制氢技术是一种利用太阳能将水分解为氢气和氧气的方法，不仅能够解决能源问题，还能够减少环境污染。
本文将介绍光催化水分解制氢技术的研究进展。
首先，我们需要了解光催化水分解制氢技术的基本原理。
该技术利用光催化剂吸收太阳能，并将其转化为化学能，从而促使水的分解。
光催化剂通常是由半导体材料制成，如二氧化钛（TiO2）等。
当光照射到光催化剂表面时，光子被吸收并激发电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
电子和空穴在光催化剂表面的反应中参与水的分解，产生氢气和氧气。
然而，虽然光催化水分解制氢技术具有巨大的潜力，但目前仍面临着一些挑战。
首先，光催化剂的光吸收效率有待提高。
目前，大部分光催化剂只能吸收紫外光，而太阳光的能量主要集中在可见光区域。
因此，提高光催化剂的光吸收效率，特别是对可见光的吸收效率，是当前研究的重点之一。
其次，光催化剂的稳定性也是一个重要的问题。
由于光催化剂在分解水的过程中需要承受极端的条件，如高温、高压和酸碱环境等，因此光催化剂的稳定性对于实际应用至关重要。
目前，研究人员正在探索新的光催化剂材料，以提高其稳定性并延长其使用寿命。
此外，光催化水分解制氢技术的产氢效率也需要进一步提高。
目前，光催化水分解制氢技术的产氢效率较低，远远不能满足实际应用的需求。
因此，研究人员正在寻找新的光催化剂材料，优化光催化剂的结构和性能，以提高产氢效率。
在光催化水分解制氢技术的研究中，还出现了一种新的方法，即光电催化水分解制氢技术。
光电催化水分解制氢技术是将光催化和电催化相结合，通过引入外加电场来提高产氢效率。
这种技术不仅能够利用太阳能进行水的分解，还能够利用电能进行氢气的产生。
虽然光电催化水分解制氢技术在实验室中已取得了一定的进展，但其在工业化应用方面仍面临许多挑战，如电极材料的选择和电极反应的控制等。
光催化水分解制氢的研究
光催化水分解制氢的研究随着环保意识的逐渐提高，人们对于清洁能源的需求也越来越大。
而氢能作为一种清洁、高效的能源，备受人们的关注。
然而，制氢过程中所使用的化石能源会产生大量的二氧化碳，导致环境污染，也使得氢能的使用并不完全符合环保要求。
为解决这一问题，研究者们开始关注光催化水分解制氢技术，希望通过这种方法生产出更环保、更高效的氢能。
什么是光催化水分解制氢技术？光催化水分解制氢技术是一种利用太阳能和催化剂将水分解成氢气和氧气的技术。
在这个过程中，光能作为一种能量源促进催化剂分解水分子，从而产生氢气和氧气。
与传统燃料制氢方式相比，光催化水分解制氢技术在环保性、可再生性和能源利用率等方面都具有优势。
如果将光催化水分解制氢技术应用到实际生产中，对于环保产业的发展以及能源替代的转型都将具有重要作用。
因此，大量研究者们都在投入时间和精力，研究光催化水分解制氢技术的原理、催化剂性质以及实际应用效果等方面。
下面，我们将重点介绍这方面的研究进展。
光催化水分解制氢技术的原理光催化水分解制氢技术的原理主要是将太阳能转化成光能，再将光能转化成化学能，最终实现水分子的分解。
在这个过程中，光催化剂起了至关重要的作用，因为催化剂可以吸收光能，激发电子，产生活性位点，从而实现水分子的裂解。
此外，光催化剂也可以帮助氢离子和电子的交互转移，最终将水分解成氢气和氧气。
催化剂的选择和性质对于催化剂的选择和性质，是光催化水分解制氢技术的重要因素。
因为催化剂的物理结构、表面性质和能带结构等特性会直接影响催化剂的光吸收性能和催化效率。
因此，研究者们通常会采用各种化学方法或物理方法来合成催化剂，以获得更高的分解效率。
目前，常用的光催化剂材料主要是半导体材料，如TiO2、ZnO、WO3等。
这些材料的能带宽度适中，且易于制备，可以提高光吸收效率和催化效率。
此外，研究者们也在寻找新型光催化剂材料，如金属有机框架（MOF）、钙钛矿及其异构体等材料，试图寻找更具有光催化活性和稳定性的材料，以增加光催化水分解制氢技术的实际应用前景。
光催化分解水制氢技术研究进展
光催化分解水制氢技术研究进展氢是一种非常有前途的清洁能源，其燃烧产生的只有水蒸气。
这种能源将会是未来社会的主要能源之一，因此人们一直在致力于寻找新的氢生产方式。
其中，光催化分解水制氢技术因其高效、环保等优点，已经成为了目前最为重要的发展方向之一。
光催化分解水制氢技术最大的优点在于其高效。
由于这种技术是利用光照将水分解成氢气和氧气，因此生产氢气的效率高、能耗低，并且可以实现实时生产。
此外，这种技术是一种清洁的生产方式，没有二氧化碳等污染物的产生，符合环保的要求。
早在20世纪60年代，人们就开始了对光催化分解水制氢技术的研究。
到了21世纪，随着纳米技术的发展和功能材料的出现，这个技术开始进入了实用化的阶段。
目前，光催化分解水制氢技术已经成为氢能源研究的热点领域之一，相关研究的进展也非常迅速。
人们在研究光催化分解水制氢技术的过程中，发现了很多可以用来催化分解水的材料。
传统的半导体材料如TiO2、ZnO等被广泛研究并应用于实际生产，它们可以吸收太阳光直接分解水，生成氢气和氧气。
然而，这些材料在实际应用过程中存在着一些问题，如吸光光谱范围小、稳定性差、光生载流子难以分离等。
为了解决这些问题，人们开始研究新的催化材料，如二维材料、光敏体复合材料等。
近年来，许多研究表明，这些新型材料具有更好的光电性能，能够实现高效率的水分解反应。
例如，氧化铁、氧化锌、钼酸盐、氧化硅等纳米材料的应用，显著提高了光催化分解水制氢的效率和稳定性。
此外，人们还开始开发新的反应装置和反应体系，以提高催化效率，增加产氢量。
例如，采用双面光照的反应系统，能够充分利用紫外光和可见光，促进电荷的分离和传递，从而提高了水分解反应的效率。
另外，采用液-液界面催化方法，也可以大大提高光催化分解水制氢的效率和稳定性。
虽然光催化分解水制氢技术已经取得了很多进展，但是该技术还存在着一些问题。
例如，光吸收效率低，光催化材料使用时间短等。
为了解决这些问题，人们正在不断探索新的思路和方法。
光催化水分解制氢技术研究
光催化水分解制氢技术研究随着能源危机的日益严重和环境问题的不断恶化，清洁、可持续的能源形式备受研究者的关注。
氢能作为一种理想的能源源，被广泛认为是解决能源短缺和减少温室气体排放的可行途径之一。
而光催化水分解技术作为一种高效、环保的制氢方法，近年来备受关注。
光催化水分解技术是指利用特定的光催化剂，在光照下将水分子分解为氢气和氧气的过程。
相对于传统的热解和电解水制氢技术，光催化水分解技术具有能源效率高、无污染、可持续性好等优点。
因此，光催化水分解技术成为了当前研究的热点之一。
光催化水分解技术的基本原理是利用特定光催化剂对光的吸收和利用能力，将光能转化为化学能，从而促使水分子发生氢气和氧气的解离反应。
常用的光催化剂包括钛酸钡（BaTiO3）、二氧化钛（TiO2）等。
这些光催化剂通常具有良好的光吸收能力和较高的还原能力，能够有效地催化水分子的分解。
除了光催化剂的选择，光催化水分解技术的研究还需要解决其他关键问题。
首先是光能的利用效率，即光催化剂对光能的吸收和利用能力。
通过优化光催化剂的结构和性能，可以提高光能的利用效率，从而提高制氢的效率。
其次是催化剂的稳定性和寿命，光催化剂在长时间的使用过程中容易受到光照、水分子和氧气的腐蚀，导致活性降低，因此需要寻找更稳定的光催化剂。
最后是光催化水分解技术的应用和规模化生产问题，需要进一步研究技术的商业化可行性，以推动光催化水分解技术的实际应用。
目前，光催化水分解技术在实验室中已取得一些重要进展，但距离实际应用还存在一定的差距。
因此，需要进一步加强研究，解决技术上的难题，并探索更高效、更稳定的光催化剂。
此外，政府和企业应加大对光催化水分解技术的支持力度，提供更多的资金和技术支持，促进该技术的市场化和规模化应用。
综上所述，光催化水分解技术作为一种制氢的新兴技术备受研究者的关注。
通过光催化剂的选择和结构优化，提高光能的利用效率，解决催化剂的稳定性和寿命等问题，光催化水分解技术有望实现可持续、清洁的氢能制备，为解决能源和环境问题提供新的解决方案。
光解水制氢实验报告
一、实验目的1. 了解光解水制氢的基本原理和过程。
2. 掌握光解水制氢实验的操作步骤。
3. 熟悉实验设备和仪器的使用方法。
4. 分析实验结果，探讨影响光解水制氢效率的因素。
二、实验原理光解水制氢是利用太阳能将水分解为氢气和氧气的过程。
实验过程中，光催化剂在光照下吸收光能，产生电子-空穴对，电子和空穴分别迁移到催化剂表面，与水发生氧化还原反应，生成氢气和氧气。
光解水制氢的反应方程式如下：2H2O → 2H2↑ + O2↑三、实验材料与仪器1. 实验材料：（1）光催化剂：TiO2、ZnO、CdS等。
（2）电解质：NaOH、KOH等。
（3）水：纯净水或去离子水。
（4）光源：太阳光或模拟太阳光。
（5）其他：集电器、电极、气体收集装置、实验台等。
2. 实验仪器：（1）紫外-可见分光光度计（2）原子吸收光谱仪（3）氢气检测仪（4）氧气检测仪（5）pH计（6）磁力搅拌器（7）实验台四、实验步骤1. 准备实验装置，将光催化剂、电解质和水按一定比例混合，搅拌均匀。
2. 将混合液倒入电解池中，连接电极，并固定在实验台上。
3. 将光源照射到电解池上，开启磁力搅拌器，使混合液均匀受光。
4. 记录实验过程中氢气和氧气的产生速率，以及pH值的变化。
5. 实验结束后，关闭光源和搅拌器，取出电解池，清洗实验装置。
五、实验结果与分析1. 实验结果（1）氢气和氧气的产生速率与光照时间的关系：随着光照时间的增加，氢气和氧气的产生速率逐渐增加，说明光解水制氢的效率随着光照时间的延长而提高。
（2）氢气和氧气的产生速率与光催化剂的种类的关系：不同光催化剂的氢气和氧气产生速率存在差异，其中TiO2的光解水制氢效率较高。
（3）氢气和氧气的产生速率与电解质浓度的关系：随着电解质浓度的增加，氢气和氧气的产生速率逐渐增加，但过高的电解质浓度会导致光解水制氢效率下降。
2. 实验分析（1）光照时间：光照时间是影响光解水制氢效率的重要因素。
实验结果表明，光照时间越长，氢气和氧气的产生速率越高，说明光照时间对光解水制氢效率有显著影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
＊全国博士学位论文作者专项基金（Ｎｏ．２００３２２）；国家自然科学基金（Ｎｏ．２０４７１０１２）；高等学校博士学科点专项科研基金（Ｎｏ． ２００４０１４１００４）；新世纪优秀人才支持计划（ＮＣＥＴ－０５一０２７８）资助项目
许家胜：男，１９７７年生，博士研究生，主要从事先进催化材料研究 薛冬峰：通讯联系人，教授，博士生导师Ｔｅｌ：０４１１—８８９９３６２３
电子一空穴的分离效率，抑制电子一空穴的重新结合，从而提高光 催化剂本征量子效率。选择适当的元素掺杂在半导体中，可以 在半导体能带结构的价带与导带之间形成一个缺陷能量状态。 缺陷能量状态为光生电子提供了一个跳板，可以利用能量较低 的可见光激发电子，由价带分两步传输到导带，从而激发半导体 的光吸收边向可见光波段移动。具有代表性的例子是共掺杂 Ｓｂ和Ｃｒ的ＴｉＱ、ＳｒＴｉＱ Ｌ１５：以及掺杂Ｎｉ的ＺｎＳＥ州。然而在大 多数情况下掺杂剂并没有形成施主能级（缺陷能量状态），相反 却形成了电子一空穴的复合中心，即使在紫外光的照射下催化活 性也会严重下降。在掺杂的体系中，复合中心不可能被完全抑 制，而且形成的施主能级也是离散的。离散的能级不利于光生 空穴的迁移，从而影响了光催化活性。因此，构建连续价带（而 且该价带的位置在Ｑ。能级的上面）Ｈ～ｕ大幅度提高光催化剂的效 率。目前研究最多的是用氮元素或硫元素来构建新的连续价带。
图１ 光催化分解水反应机理示意图 Ｆｉｇ．１ Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｐｈｏｔｏｃｔａｌｙｔｉｃ
ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｔｔ２ ａｎｄ ０２
２可见光催化分解水制氢研究进展
利用可见光将水分解制氢是近些年来光催化领域的研究热 点，根据光解水原理，恰当的能带模型对开发新型可见光响应催 化剂是至关重要的。最新的研究进展表明，有３种设计方案（如 图２所示）可以奏效：①在宽禁带半导体中，通过掺杂形成掺杂 能级（ＤＬ，ｄｏｎｏｒ ｌｅｖｅｌ），见图２（ａ）；②利用非氧元素形成新的价 带（ｎｅｗ ＶＢ），见图２（ｂ）；③利用固溶体（ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）来控制能 带结构，见图２（ｃ）。以下分别从这３种设计方案出发介绍该领 域最新的研究进展。
２．１ 元素掺杂类型光催化剂
万目前方报数道据的元素掺杂半导体光催化剂，都是基于提高光生
Ｎａ
豇 一一
Ｔａ
．矗．Ｔ＆ａ
０
２
４６８ຫໍສະໝຸດ Ｅｎｅｒｇｙ，ｋｅＶ１０
１２
图４钽酸钠的ＥＤＸ图 Ｆ睡４ Ｅｎｅｒｇｙ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｔｈｅ
ａｓ－ｐｒｅｐａｒｅｄ ＮａＴａ０３ ｐｏｗｄｅｒ
Ｆｉｇ．３
图３钽酸钠的ＳＥＭ图 ＳＥＭ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｓ－ｐｒｅｐａｒｅｄ ＮａＴａ０３ ｐｏｗｄｅｒ
Ｔａ
图２可见光响应催化剂的３种设计方案
Ｆｉｇ．２
Ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｂａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
ｏｆ ｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓ
在光催化剂的制备、改性以及光催化理论等方面取得了较大进 展［１２，１３］。但迄今人们开发和研制的光催化材料大多还仅在紫 外光区稳定有效，而在太阳光谱中紫外光能（４００ ｎｍ以下）不足 ５％，而波长为４００～７５０ｎｍ的可见光能量却占太阳能的４３％左 右。因此，研制和开发高效、稳定、低成本的可见光催化剂是半 导体光催化分解水制氢技术发展的关键。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｗａｔｅｒ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ，ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ
０引言
当今世界的四大热点研究领域是信息、生物、环境和能源， 其中能源问题已成为人类社会能否继续生存、持续发展的关键。 太阳能是最干净而又取之不尽的自然能源，人类赖以生存的能 源和材料都直接和间接地来自于光合作用。２０世纪７０年代 初，由于石油短缺引起的能源危机，极大地激发了人们对光合作 用模拟的研究兴趣。只从能源角度考虑，光解水制氢是太阳能 光化学转化与储存的最佳途径，因为氢能是一种最理想的无污 染绿色能源，燃烧后只生成水，这是一种良性循环［１￣８］。１９７２ 年日本的Ｈｏｎｄａ和Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ利用Ｔｉ０２半导体作电极，制成太 阳能光电化学电池，揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能 性［９］。其实，第一个认识到光电化学转换太阳能为电能可行性 的是Ｂｅｃｑｕｅｒｅｌ，他在１８３９年发现涂布卤化银颗粒的金属电极 在电解液中产生了光电流，可惜进一步的研究工作并没有进行 下去。在２０世纪六七十年代，Ｂｒａｔｔａｉｎ等先后提出和建立了一 系列有关光电化学能量转换的基本概念和理论，开辟了光电化 学研究的新领域［１…。此后，很多化学家、物理学家、化学工程学 家都对提高光催化基本过程和光催化效率进行了广泛的研究， 这些研究都涉及到了能量的转化和储存［１１Ｉ。随着对电极电解 水演变为多相催化分解水以及Ｔｉ０２以外的光催化剂的相继发 现，日本、欧美等国兴起了以光催化方法分解水制氢的研究，并
１ 半导体催化光解水原理
从化学热力学上讲，水作为一种化合物是十分稳定的。要 使水分解为氢和氧是一个耗能极大的上坡反应，也是一个能量 增大的非自发反应过程。在标准状态下，若把１ ｍｏｌ的水分解 为氢气和氧气，需要２３７ｋＪ的能量。由于受热力学平衡限制，采 用热催化方法很难实现。但水作为一种电解质又是不稳定的， 根据理论计算，在电解池中将１个分子水电解为氢和氧仅需要 １－２３ Ｖ［１４］。要使水完全分解，热力学要求半导体光催化材料的 导带（ＣＢ，ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）和价带（ＶＢ，ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）位置必须 与水的还原及氧化电位相匹配，即构成半导体导带的最上层能 级必须比水的还原电位（ｒＯｌｌ＋／Ｈｚ一０，ＮＨＥ）更负，而构成半导 体价带的最下层能级必须比水的氧化电位（平ＨｚＯ／０２一＋１．２３ ｅＶ，ＮＨＥ）更正，如图１所示。理论上半导体的禁带宽度（Ｅｇ， ｅｎｅｒｇｙ ｇａｐ）大予１．２３ ｅＶ就有可能实现水的分解反应。但在实 际的光催化反应中，为提高电子（ｅ一）和空穴（ｈ＋）的分离效率，
Ｅ－ｍａｉｌ 万：ｄ方ｆｘｕ数ｅ＠ｃ据ｈｅｍ．ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
２ ·
·
材料导报
２００６年１０月第２０卷第１０期
往往需要在催化剂表面担载不同的金属（如Ｐｔ等）或金属氧化 物（如ＲｕＯｚ等），引入放氢和放氧的活性位以促使氢气和氧气 在催化剂表面不同活性位上逸出。由于氢和氧在不同金属或金 属氧化物上析出时具有一定的过电位，因此最合适的禁带宽度 为２．Ｏ～２．２ ｅＶ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ ｗａｔｅｒ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｔｏ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｕｎｄｅｒ ｖｉｓｉｂｌｅ
ｌｉｇｈｔ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｌａｎｓ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔ—ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．
钽酸钠（ＮａＴａＯａ）是迄今为止报道的光催化活性较高的一 种催化剂［１７～２０？。通过对钽酸钠进行合理的元素掺杂，可以实现 可见响应。合成钽酸钠的传统方法需要较高的温度（通常为 １０００～１３００℃），我，ｌｆ］Ｅ２１］利用燃烧法已经成功地在低温下（６００ ℃）合成出了具有立方块形貌的钽酸钠，其扫描电子显微镜图和 能谱分析图分别见图３、图４。通过煅烧孔雀绿（Ｃｕｚ（ＯＨ）２一 Ｃ０３）得到了具有层级结构的氧化铜（ＣｕＯ）球体Ｌ２２ｊ，如图５所 示。钽酸钠和氧化铜是很好的掺杂基质（或载体），而具有特定 形貌的光催化剂可以实现产氢和产氧活性中心的有效分离［９Ｊ， 从而大幅度提高制氢催化效率，所以对它们进行有效的掺杂处 理（或负载有效的反应活性中心）将成为新型可见光响应的光解 水制氢催化剂。
关键词 光解水氢能太阳能转换
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｗａｔｅｒ
Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ
ＸＵ Ｊ ｉａｓｈｅｎｇ，ＸＵＥ Ｄｏｎｇｆｅｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｉｎｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０１２）
图５煅烧孔雀绿后得到的ＣｕＯ的ＳＥＭ图 Ｆｉｇ．５ ＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ＣｕＯ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ
ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｌａｃｈｉｔｅ
２．３固溶体光催化剂
宽禁带（ｗｉｄｅ ｂａｎｄ ｇａｐ）半导体和窄禁带（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｇａｐ） 半导体形成的固溶体是一类近年来研究较多的可见光响应光解 水催化剂［ｚ ６｜，其最大特点是可通过调节二者的组分来控制带隙 宽度和能带位置，从而使催化剂的带隙宽度和能带的位置符合 可见光催化剂的基本要求。ＫｕｄｏＥ２７］最近报道的可见光催化剂 是由宽禁带半导体ＺｎＳ（Ｅｇ：３．５５ ｅＶ）和窄禁带半导体ＡｇｌｎＳ２ （Ｅｇ一１．８０ ｅＶ）组成的固溶体（Ａｇｌｎ）。Ｚｎ２（１吲Ｓ２，通过调节二者 的组成来控制能带结构。李灿等［２８］用水热法合成了可见光响 应的光解水催化剂Ｚｎｌｎ２Ｓ４。与ＺｎＳ相比，ＺｎＩｎ：Ｓ４在可见区有 较强的吸收，在可见光照射下该催化剂能稳定地还原水放出氢 气。经１５０ｈ的光催化反应，催化剂的放氢活性没有任何降低， 表明Ｚｎｌｎ２ Ｓ４是一种非常稳定的新型硫化物光催化剂。
Ｔｈｅ ｄｏｐｅｄ－ｔｙｐｅ，ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ／ｏｘｙｓｕｌｆｉｄｅ ｔｙｐｅ，ａｎｄ ｓｏｌｉｄ－ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ