光强对光电化学法分解水制氢的影响

光强对光电化学法分解水制氢的影响

摘要：氢气被认为是最理想的清洁能源，因其对环境无污染。利用免费而且无限量的太阳能通过光电催化分解水的方法制取氢被认为是最具有前景的制氢方法。光电化学分解水制氢气是太阳能制氢研究的一个重要组成部分,近年来通过对光电化学中光阳极材料的进一步深化,光电化学制氢的研究取得了巨大的进展。本文以纳米二氧化钛作为光阳极，利用其耐光腐蚀和化学稳定性好的优点来测试不同的光强辐射对我们光电系统制氢效率的影响。

关键词：太阳能；光电化学分解；纳米二氧化钛

Effects of light intensity on the photoelectrochemical decomposition

of water to hydrogen

Abstract:As we all know,hydrogen is considered as an ideal clean energy, because of its no pollution to the environment. With using the method of free and limitless solar energy through the photoelectric catalytic decomposition of water to produce hydroge n is considered to be the most promising method for hydrogen production. The photoelectrochemical water splitting into hydrogen is an important part of solar hydro gen

production, in recent years through the further deepening of the photoelectrochemical light anode materials, has made great progress in photoelectrochemical hydrogen prod uction.In this paper, the nanotitanium dioxide was used as anode, using its corrosion r esistance and good chemical stability to test the different light radiation impact on our law system of the photoelectric efficiency of hydrogen production

Key word:Solar energy;The photoelectrochemical decomposition; Nanotitanium dioxide

1引言

氢气因其对环境无污染被认为是最理想的清洁能源。在传统的制取氢气的方法当中，化石燃料的制取约占全球制氢数量的90%，这种方法主要是利用变压吸附以及蒸汽转化相结合的方法制取高纯度的氢。利用电能制取氢也占有一定的比例。但上述两种方式，制取高纯度的氢时能耗大，污染大。在近些年来的研究中，利用免费而且无限量的太阳能通过光电催化分解水的方法制取氢被认为是最具有前景的制氢方法。

光电化学分解水制氢是太阳能制氢研究的一个重要组成之一,由光阳极和对

极阴极所组成的典型的光电化学分解太阳能池，在有电解质存在下的光阳极在吸收光后通过半导体带上电子由外电路流向阴极，水中的氢离子会从阴极上接受电子从而产生氢气。其中，光阳极通常是光半导体材料，其收到激发后可以产生电子空穴对，光阳极半导体是影响制取氢气最关键的影响因素，半导体材料应尽可能多的吸收可见光减少。本实验选用纳米二氧化钛作为光阳极材料，二氧化钛价格便宜、无毒且原料易得，主要有抗光腐蚀性等优点。但二氧化钛的禁带宽度较宽,对太阳能的利用率并不是很高,因此限制了二氧化钛在太阳能制氢中的实际应用。本实验通过溶胶-凝胶对二氧化钛进行修饰来提高其对光电转换的效率。二氧化钛作为太阳能光电制氢系统的阳极时，能够产生0.7-0.9V的电压，所以使水裂解就必须施加一定的偏压。在太阳能制氢系统中施加偏压主要有利用太阳能增加外部偏压和在太阳能池内部施加偏压的两种方法，由这两种方法可将太阳能电化学分解水制氢分为一步法和两步法。将催化电极加在太阳电池的两个电极板上的是一步法，它是利用太阳电极所产生的电压降直接的将水分解为氢气和氧气。两步法是将太阳能光电转化与电化学转化分为两个独立的过程进行的，这种方法将多个太阳能池通过串联以使每一个都满足电解水所需要的电压。两步法虽然可以在系统中分别选出较优的电化学电极材料和转化率高的太阳能电池，可以有效的避免半导体电极带来的光化学腐蚀等问题，但在将电流引出电池时，需要消耗大量的电能，然而电解水只需要低的电压，大功率的电能会产生很大的电流，既会在成材料的耗损也会增加电极的过电势。本实验利用纳米二氧化钛作为光阳极半导体材料，通过测试一系列不同光强辐射对光电法系统制取氢的影响。

2 实验部分

2.1仪器与试剂

2.1.1 仪器

马弗炉 (武汉电炉厂)

扫描电镜（东莞市协美电子有限公司）

太阳能电池板（深圳太阳能公司）

升压器（输出端200-450v）

降压器（输出端1.5-12v）

2.1.2试剂

无水乙醇（阿拉丁试剂公司）

硫酸钠（阿拉丁试剂公司）

氯化钠（阿拉丁试剂公司）

钛酸四丁酯（阿拉丁试剂公司）

2.2 实验步骤

2.2.1纳米二氧化钛的制备

将钛酸四丁酯缓慢加入乙醇与水的混合液，同时滴加适量氯化钠,控制水解出现凝胶，并且将温度控制在25℃～30℃范围内。接着取叶肉丰富的女贞树叶，在水中浸泡后除去叶肉及叶脉部分，用乙醇溶液洗去表面色素，将制得的二氧化钛凝胶均匀涂抹在叶片表面，马弗炉温度升至300℃，加热约15分钟后将温度提高到450℃继续加热15分钟，然后将温度调节至600℃加热5分钟后取出，得到纸片状薄膜。利用东莞市协美电子有限公司扫描电镜得到所制备的纳米二氧化钛形貌。

2.2.2光电极的制备

用研钵将所制得的二氧化钛聚集体研磨10分钟，接着在超声波清洗器用1ml 乙酰丙酮将其超声分散，然后用喷笔滴2-3滴水来增加二氧化钛与电极之间的附着力，先用喷笔喷一薄层，喷涂过程中要注意控制出气量，等薄层晾干后，用相同的方法再喷涂一层，按照上述方法反复喷涂5-7次。

2.2.3制氢系统的组装

由图二可知，制氢系统主要由以下四部分构成：卤素灯，光阳极，光阴极和升压器组成。连接方式为：太阳能电池板与升压器相连接(升压至450v)，然后连接光电极（掺杂氟的氧化锡玻璃，FTO），有放入石英的导电玻璃制成的反应釜的液面以下是光阳极，有石墨插入液面以下是光阴极，打开光源（1000w卤素灯）。

2.2.4 氢气量的测定

使用深圳吉顺安公司的便携式氢气检测仪完成检测，以1000ppm作为基准测定时间，数据分别列于表1、表2、表3中。

2.3 结果与讨论

利用东莞市协美电子有限公司扫描电镜得到所制备的纳米二氧化钛形貌如图一所示，可以看出在1μm下，利用树叶表皮所制的二氧化钛是大小不均匀的颗粒状固体。