化学―光分解水

化学―光分解水
光分解水
金属材料工程蒋超 2021501130
引言
光分解水成为氧气和氢气，氧气作为一种助燃物质或者说供动物呼吸的气体，对我们
有很大的作用，当然，氢气给我们带来的效益或许会更大些。

在当今的社会中，随着石化
燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，能源问题越来越突出。

新能源成了一个新的热点。

现在我们先看一下能源的分级结构。

常规能源：水力资源、煤、石油、天然气
新型能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、氢能
可见，氢能在新能源中还是占有一定比例的，因此，我今天来分享一下我在光分解水
后氢能的开发、利用与发展方面的所得。

氢能源的特点
1. 氢是重量最轻的元素，极易液化，对我们的存储和运输都带来了极大的
便利。

2. 氢的燃烧热极大，这样各种燃烧需求都比较容易达到，加上它燃烧速度
很快，对燃烧条件要求不是很高。

3. 最大的好处是，它最清洁，一般燃烧只生成水，而水又是我们生活所必
须的。

当然要是能把生成的水再继续制氢气，那就更完美了。

4. 据说氢能不止用于燃烧，还能制作成电池，那样，我们的电子产品就更
环保、更轻薄了。

5. 虽然在自然界储量丰富，但是人类并不能直接利用。

而我们现在没有很
好的技术去解决这个难题，其开发渠道甚不明确。

氢能源的开发
水是是一种稳定的化合物，从水直接转化成氢气和氧气，是一个能量增大
的非自发反应，难以实现。

虽然我们现在已经有了一些光分解水的技术，但是效率比
较低，制备条件很高，一般工厂不易达到要求，想规模化还需要时间。

根据所学和网上所
提供的资料，我得到下面几个可能的途径：
第一，利用太阳能发电，再将水电解成氢气和氧气；这个按照目前来看更现实些，但是，在我看来，意义不大。

既然已经得到电能了，那我们就没有必要再转化了吧，我发现，现在社会，只要有电，吃的、穿的、用的貌似都能解决。

太阳能发电的关键是太阳能电池，太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。

像能发电的纯度很高的单晶硅，多晶硅，因其成本较高，
太阳能的转化率较低，应用不是很普遍。

从现在已经建成的太阳能发电站来看，效果
并不是很理想。

1982年美国建成了一座1000万千瓦的塔式太阳热中间试验电站，据估计，此大型太阳能发电站效率仅为30%左右，太阳能发电站还需要有应付晚上和阴天用电需要的蓄电器，而所需的聚光器造价也较昂贵，发电经济性差。

因此，利用这个方法根本不
合算。

第二，利用生物工程技术，研发能利用太阳能将水分解成氢气和氧气的微生物。

按照
我在高中所学的知识，这个好像是可以实现的。

我们对微生物的改良，可以通过基因工程，蛋白质工程，还有一些分子改造技术来达到我们要用的微生物。

我们已经成功的找到了生
产青霉素的微生物，这点让我们可以看到希望，能分解石油，分解垃圾，再改造下，研制
出光解水的微生物应该可以吧，当然，这是机遇与挑战并存的。

光源，光照强度，光照时
间这些条件都能很好的认为控制，但是可以利用的微生物还会不好找到。

第三，光催化分解水。

我觉得用TiO2催化光解水还是比较可靠的。

1972年，日本的
一位科学家利用TiO2单晶作为光电极，紫外光照射下催化分解水产生氢气，开创了光解
水的先河。

由于能源和环境问题的日益恶化，人们对此的关注度也空前的搞。

以下我着重
介绍光催化分解水。

光催化分解水的原理：半导体材料在受到能量相当于或高于催化
剂半导体的禁带宽度的光辐照时，晶体内的电子受激从价带跃迁到导带，在导带和价带分
别形成自由电子和空穴，水在这种电子一空穴对的作用下发生电离，生成H2和02。

光解
水过程的效率与受光激发而产生的自由电子和空穴对的多少、自由电子一空穴对的分离、
存活寿命、再结合及逆反应的抑制等因素有关。

（来源于网络）光催化分解水的材料
要易得，便宜，且消耗要少，还有就是精良提高催化的效率。

TiO2毒害作用小，化学性质也比较稳定，所谓的禁带宽度也比较大，美中不足的是，它只能利用太阳光中的紫外线部分，太阳能利用率不高，但是有科学家的存在，一切显得不是那么复杂了，有人通过调节
了半导体的禁带宽度，让催化剂的效率明显提高了。

当然现在还在进一步研究催化剂，至
于新的进展情况，我就不得而知了。

从下图中我们可以看到，TiO2经过改良后，变化很大。

总之，可见光利用率低，催化剂易发生光解，能量转化率低，容易发生逆化反应等一些问
题还难以解决，或者说这是一个研究瓶颈，我想，一旦有人突破，新的能源时代将到来。

下面的这个表示要说明一些改性的催化剂会大大提高光解水的效率，有
无数的科学家正在努力地为了人类跟好的发展做出贡献。

我们也可以看到，光解水
的要求不是很高的，对温度、压强都是一般工厂能达到的高度。

主要还是催
化剂起着重要的作用。

期待着更搞笑的催化剂出现，改变光解水这个难题。

前
不久，南京大学在国内率先开展的一项新型环境材料和可再生能源研究，取得了重要的阶
段性成果。

南京大学特聘教授、环境材料与再生能源研究中心主任邹志刚等研究人员，首
次完成了在户外实际太阳光下光催化分解水制氢的实验，使其在实验室内得出的研究结论
得到了证实。

曾见过这么一篇报道，一位研究员把一种特殊的半导体作为正极，把极易导电、且几
乎不参与反应的金作为负极，连接导线浸入电解水溶液中，然后用可见光照射半导体半
导体一经光照就产生电流。

通过在各极起化学反应来分解水，既在半导体极上产生氧，在金这一极上产生氢。

今天细看了下，原来也是利用这一原里。

他聪明在半导体内使用了
n型硫化镉，电解质中中用了硝酸钾。

这个催化剂用的就比较好，然而很可惜，有效率也
不过在15%左右。

所以，这可课题的研究，还任重而道远。

光解水的展望
各个国家对新能源的关注度都异常的高，而光解水这个最具发展潜质的课题，让一位
位科学家为此奔波劳累。

回顾近现代历史乃至现在，很多战争的爆发无不和能源有着一定
的联系。

就现在中日对峙的钓鱼岛问题，难道不是为了资源或者说能源的争夺吗，他们身
上背负了多大的责任，为了环境，为了和平，更是为了人类的未来。

利用太阳能可见光分解水制氢，具有广阔的应用前景。

而光催化剂是决定光催化过程
能否实际应用的关键因素之一，目前虽然在可见光半导体光催化剂的研究方面已取得较大。