光催化分解水制氢ppt课件
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2.2eV), CdS, CdSe, WO3, Cu2O,
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
主要的优化方法
掺杂（调控能带）(C,N,过渡金属或稀土掺 杂等)
包覆（降低超电势，增加稳定性，提高电 子空穴分离效率，提供析氢活性中心） （贵金属等）
半导体光催化分解水热力学原理示意图
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol(E = -Go/nF = -1.23 eV)
V/NHE
-1.0
Conduction band
e- e- e- e- e-
0.0
Band gap +1.0
+2.0
+3.0
h+ h+ h+ h+ h+
Valence band
Institute of Nanoscience
TiO2粒子中光生电子、空穴的衰减过程示意图
表面复合
-++
A-
hv
+
C
B
体相复合
A-
-
-++
TiO2 粒子
A
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
0.41 ？ 0.31
2.42 1.70 1.56 2.4 2.82 3.68 3.35
17 ？ 30
5.4 10.0 10.2 10.4 9.2 8.9 9.0
eV=1240/λ
光波波长对应的能量
200n2m022年3月236日.2星eV期三
600nm
2.067eV
400nm 800nm
3.1eV 1.55eV
Doping atoms Ru,Eu,
2
2022年3月23日星期三
3百度文库
氢的主要来源
电解水制氢（商业化电解水的效率~85%） 热化学法分解水制氢 石油产品催化重整制氢 生物质原料催化重整制氢 生物制氢 硫化氢裂解制氢 光催化分解水制氢
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
-
导带
-
--
-
hv Eg
+
价带 + + ++
D D+
+-
D
TiO2纳米粒子催化性能改进方法
制备更细的纳米粒子，提高比表面积，减 少空穴迁移到表面的距离，减少电子空穴 对再结合的机会；
掺杂过渡金属阳离子（Fe， Cr）； 掺杂C， N, S, P, F, Cl
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
H+
H2
hv
Water reduction
H+/H2
O2/H2O
O2 Water
H2O oxidation
最佳能隙范围
半导体纳米粒子的能隙大于热力学分解电 压（1.23eV）+热动力学损失（~0.4eV）+ 超电势（0.3~0.4）,约1.9eV，对应的波长 约为650nm；
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
纳米材料
Si, GaAs, GaP, CdS,ZnO(unstable） AMWO6(A=Rb,Cs;M=Nb,Ta) SrTiO3, BaTi4O9 K4Nb6O17, K2La2Ti3O10,MTaO3, ZrO2, Ta2O5, TiO2(3.2eV), SnO2(3.6eV), Fe2O3(2.1-
在400nm（~3.1eV）以下太阳光强度急剧下 降；
半导体纳米粒子的最佳能隙范围 （1.9~3.1eV）（400-650nm）
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Intensity of sunlight versus wavelength for AM1.5 conditions.
纳米粒子光催化分解水的要求
强吸收太阳光（主要可见光） 化学性质稳定 合适的能带适合水的氧化还原 在半导体中电荷能有效转移 氧化还原反应时具有低的超电势 低成本，高效率
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Energy diagram of a PEC cell for the photoelectrolysis of water. The cell is based on
光催化分解水制氢
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
1
IV-VI PbS PbSe PbTe II-VI CdS CdSe CdTe ZnTe ZnSe ZnS ZnO WO3 TiO2 CuO2
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Energy band positions for various semiconductors at pH 14, the reduction and oxidation potentials of water vary with -59 mV per pH unit.
染料分子或者稀土配合物敏化。
加大电子和空穴的迁移率。金属氧化物的导带和价带分 别和金属的3d轨道、O的2p轨道相关。金属的3d轨道重 叠越多，电子的迁移率越高。O 2p轨道的重叠程度影响 空穴的迁移率。 尽量减少半导体纳米粒子的缺陷，减少电子/空穴对的再 结合位点。 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
主要的优化方法
掺杂（调控能带）(C,N,过渡金属或稀土掺 杂等)
包覆（降低超电势，增加稳定性，提高电 子空穴分离效率，提供析氢活性中心） （贵金属等）
半导体光催化分解水热力学原理示意图
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol(E = -Go/nF = -1.23 eV)
V/NHE
-1.0
Conduction band
e- e- e- e- e-
0.0
Band gap +1.0
+2.0
+3.0
h+ h+ h+ h+ h+
Valence band
Institute of Nanoscience
TiO2粒子中光生电子、空穴的衰减过程示意图
表面复合
-++
A-
hv
+
C
B
体相复合
A-
-
-++
TiO2 粒子
A
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
0.41 ？ 0.31
2.42 1.70 1.56 2.4 2.82 3.68 3.35
17 ？ 30
5.4 10.0 10.2 10.4 9.2 8.9 9.0
eV=1240/λ
光波波长对应的能量
200n2m022年3月236日.2星eV期三
600nm
2.067eV
400nm 800nm
3.1eV 1.55eV
Doping atoms Ru,Eu,
2
2022年3月23日星期三
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氢的主要来源
电解水制氢（商业化电解水的效率~85%） 热化学法分解水制氢 石油产品催化重整制氢 生物质原料催化重整制氢 生物制氢 硫化氢裂解制氢 光催化分解水制氢
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
-
导带
-
--
-
hv Eg
+
价带 + + ++
D D+
+-
D
TiO2纳米粒子催化性能改进方法
制备更细的纳米粒子，提高比表面积，减 少空穴迁移到表面的距离，减少电子空穴 对再结合的机会；
掺杂过渡金属阳离子（Fe， Cr）； 掺杂C， N, S, P, F, Cl
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
H+
H2
hv
Water reduction
H+/H2
O2/H2O
O2 Water
H2O oxidation
最佳能隙范围
半导体纳米粒子的能隙大于热力学分解电 压（1.23eV）+热动力学损失（~0.4eV）+ 超电势（0.3~0.4）,约1.9eV，对应的波长 约为650nm；
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
纳米材料
Si, GaAs, GaP, CdS,ZnO(unstable） AMWO6(A=Rb,Cs;M=Nb,Ta) SrTiO3, BaTi4O9 K4Nb6O17, K2La2Ti3O10,MTaO3, ZrO2, Ta2O5, TiO2(3.2eV), SnO2(3.6eV), Fe2O3(2.1-
在400nm（~3.1eV）以下太阳光强度急剧下 降；
半导体纳米粒子的最佳能隙范围 （1.9~3.1eV）（400-650nm）
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Intensity of sunlight versus wavelength for AM1.5 conditions.
纳米粒子光催化分解水的要求
强吸收太阳光（主要可见光） 化学性质稳定 合适的能带适合水的氧化还原 在半导体中电荷能有效转移 氧化还原反应时具有低的超电势 低成本，高效率
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Energy diagram of a PEC cell for the photoelectrolysis of water. The cell is based on
光催化分解水制氢
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
1
IV-VI PbS PbSe PbTe II-VI CdS CdSe CdTe ZnTe ZnSe ZnS ZnO WO3 TiO2 CuO2
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
Energy band positions for various semiconductors at pH 14, the reduction and oxidation potentials of water vary with -59 mV per pH unit.
染料分子或者稀土配合物敏化。
加大电子和空穴的迁移率。金属氧化物的导带和价带分 别和金属的3d轨道、O的2p轨道相关。金属的3d轨道重 叠越多，电子的迁移率越高。O 2p轨道的重叠程度影响 空穴的迁移率。 尽量减少半导体纳米粒子的缺陷，减少电子/空穴对的再 结合位点。 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics