电解水制氢

南京理工大学

《新能源技术》课程报

告

姓名李伟杰学号：0910190131

学院(系):自动化学院

专业: 电气工程及其自动化

题目: 太阳能裂解水制氢

组别 3

任课教师戚志东

2012年4月16号

太阳能裂解水制氢

——李伟杰

摘要：用太阳能制氢因其具有能够有效解决能源危机、形成可持续的能源体系以及清洁无污染等优点而得到了广泛的关注。本文介绍了基于传统概念上太阳能制氢技术的新方法、新工艺及新材料，提出两种制氢主要途径，分析了目前的技术难点，最后论述了发展太阳能制氢技术的前景并指出了今后的研究方向。

关键字：太阳能光电解水光催化

hydrogen production using solar energy

——Li weijie

Abstract:hydrogen production using solar is arousing more and more concentration because of its advantages .First,it can be the key to solve the energy crisis .Second ,it can form sustainable energy system.Third,it is clean and tidy.no pollution is produced. The passage shows some new ways, new materials and new industrial processes to manufacture hydrogen. Two main ways are put forward and the Technical difficulties are analyzed. Finally the passage discusses the prospect of hydro producing using solar energy .

Keywords: solar energyphotocatalyticPhotoelectric

1.引言

太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，氢能被认为是二次能源中一种最为理想的无污染的绿色能源。利用太阳能分解水制氢，从能源总量和利用方式角度看，都可以满足人类日益增长的能源需求，而且不会对环境带来任何污染，因而被认为是解决能源问题的最佳方案之一.，成为研究的热点。自从1972年Fuiishi和Honda报道了在n型半导体Ti02电极上发现水的电解，就开始了研究太阳能制氢的新纪元。但在技术层次，特别是在光催化剂的合成及筛选、电极材料的制备、提高制氢效率诸多方面要实现制氢的产业化，仍存在一定困难。本文介绍了基于传统概念上太阳能制氢技术的新方法和工艺，并就一些技术难点做了分析，最后论述了发展太阳能制氢技术的优势和前景。

2.太阳能制氢技术及其原理

太阳能光分解水制氢主要有两种途径，即太阳能光电化学分解水制氢和光催化分解水制氢。

2.1太阳能光电化学分解水制氢

光电化学池，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，

光阳极和对极(阴极)组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气。图1是太阳能光电化学电池制氢的基本结构。它包括一个光阳极(一般是金属氧化物)和阴极(一般是Pt)，在电解液中，

氧化和还原反应分别在阳极和阴极发生。

光电化学分解水制氢的转换效率原则上取决

于电极的材料，但通过电极/电解液界面电位的修饰可以有效的防止电子一空穴的复合，从而能够有效的提高效率。要使分解水的反应发生，最少需要1．23V 的电压，现在最常用的电极材料是Ti02，其禁带宽度为3eV，把它用作太阳能光电化学制氢系统的阳极，能够产生0．7～0．9V的电压，因此要使水裂解必须施加一定的偏压。由于太阳能制氢中常用的

施加偏压方法有：利用太阳电池施加外部偏压和利用太阳电池在内部施加偏压，所以太阳能光电化学分解水制氢可分为一步法和两步法。

2.1.1一步法太阳能光电化学分解水制氢

一步法就是不将电能引出太阳电池，而是在太阳电池的两个电极板上制备催化电极，通过太阳电池产生的电压降直接将水分解成氢气与氧气该方法是近年来在多结叠层太阳电池(如三结叠层非晶硅太阳电池)研究方面取得进展的情况下逐渐被重视起来的。由于叠层太阳电池的开路电压可以超过电解水所需要的电压，而电解液又可以是透光的，所以将这种高开路电压的太阳电池置人电解液中，电解水的反应就会在光照下自发进行。

1.电化学电池裂解水结构

研究的重点是电池之间

的能隙匹配、电池表面

防腐层的选择和制备器

件结构的设计，对催化

电极的要求是有较低的

过电势、有好的脱附作

用、对可见光透明、防

腐、廉价。用Fe ：NiOx 。做阳极，coMo 做阴极，可以产生氢气，这种替代一方面可以制成透明催化电极，另一方面可以取代pt 电极以降低成本，在10．3％的三结非晶硅锗太阳能电池的基础上，应可达到7.8％的光一氢转换效率。 2.1.2二步法太阳能光电化学分解水制氢

两步法光伏电解水是将太阳能光电转换和电化学转换在两个独立的过程中进行。这样可以通过将几个太阳电池串连起来，以满足电解

水所需要的电压条件。

两步法制氢有以下优点：在系统中可以分别选用转化

效率高的太阳电池和较好的电化学电极材料以提高光

电化学转换效率；可以有效避免因使用半导体电极而

带来的光化学腐蚀问题。

但两步法要将电流引出电池，这要损耗很大的电能，

因为电解水只需要低电压，如若得到大功率的电能就

需要很大的电流，使得导线耗材和功率损耗都很大，

而且在电流密度很大时也加大了电极的过电势。

2.2光催化分解水制氢

是水对于可见光至紫外线是透明的，并不能直接吸收太阳光能。因此，想用光裂解水就必须使用光催化材料，通过这些物质吸收太阳光能并有效地传给水分子，使水发生光解。然而到目前为止，利用催化剂光解水的效率还很低，只有l ％～ 2％。已经研究过的用于光解水的氧化还原催化体系主要有半导体体系和金属配合物体系两种。

图2.结非晶硅锗太阳电池裂解水分子原理

图3.两步法光电化学制氢结构