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上海比朗儀器制造有限公司

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上海比朗儀器制造有限公司

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上海比朗淺談光解水制氫系統(tǒng)

2014-3-4　

　　上海比朗淺談光解水制氫系統(tǒng)。

　　現(xiàn)代社會，能源危機日益明顯，這一方面是由于人們對能源的利用率不高，而另一方面是沒有找到很好的新能源。在石油，煤，等傳統(tǒng)能源日益減少，且造成大量污染時，我想，氫氣必定是未來人類社會可持續(xù)發(fā)展的理想能源。

　　太陽能是zui干凈而又取之不盡的自然能源。而光合作用是綠色植物和藻類在可見光作用下將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物的過程，人類賴以生存的能源和材料實際上都直接和間接地來自光合作用。由于石油短缺引起的能源危機，人們對光合作用及光解水制氫產(chǎn)生了興趣，目前看來，太陽能光解水制氫將是從根本上解決能源短缺問題的的途徑。

　　經(jīng)過收集資料，我們了解到，太陽能光催化制氫技術(shù)的原理如下：

　　在標準狀態(tài)下把1mol水(18克)分解成氫氣和氧氣需要約285kJ的能量，太陽能輻射的波長范圍是200~2600nm，對應(yīng)的光子能量范圍是 400~45kJ/mol。但是水對于可見光至紫外線是透明的，并不能直接吸收太陽光能。因此，想用光裂解水就必須使用光催化材料，科學(xué)家們往水中加入一些半導(dǎo)體光催化材料，通過這些物質(zhì)吸收太陽光能并有效地傳給水分子，使水發(fā)生光解。以二氧化碳鈦半導(dǎo)體光催化材料為例，當太陽光照射二氧化化鈦時，其價帶上的電子(e-)就會受激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，同時在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴(h+),形成了電子空穴對。產(chǎn)生的電子(e-)、空穴(h+)在內(nèi)部電場作用下分離并遷移到粒子表面。水在這種電子-空穴對的作用下發(fā)生電離生成氫氣和氧氣。

　　從太陽能利用角度看，光解水制氫過程主要是利用太陽能而不是它的熱能，也就是說，光解水過程中首先應(yīng)考慮盡可能的利用陽光輻射中的紫外光和可見光部分，那么，太陽能分解水制氫可以通過三種途徑來進行。

　　一.光電化學(xué)池：即通過太陽板吸收太陽能并將光能轉(zhuǎn)化為電能。

　　二.助絡(luò)合催化：即人工模擬光合作用分解水的過程。

　　三.半導(dǎo)體催化：即將Tio2或cds等光半導(dǎo)體微粒直接懸浮在水中進行光解水反應(yīng)。

　　在這里，我們著重研究了一，三點。

　　光電化學(xué)池——光陽極通常為光半導(dǎo)體材料，受光激發(fā)可以產(chǎn)生電子。空穴對。光陽極和對極(陰極)組成光電化學(xué)池，在電解質(zhì)存在下光陽極吸光后在半導(dǎo)體導(dǎo)帶上產(chǎn)生的電子通過外電路流向?qū)O，水中的質(zhì)子從對極上接受電子產(chǎn)生氫氣。光電化學(xué)池法的優(yōu)點是放氫放氧可以在不同的電極上進行，減少了電荷在空間的復(fù)合幾率。其缺點是必須加偏壓，從而多消耗能量。

　　半導(dǎo)體催化——半導(dǎo)體光催化在原理上類似于光電化學(xué)池，細小的光半導(dǎo)體顆粒可以被看作是一個個微電極懸浮在水中，它們象光陽極一樣在起作用。所不同的是它們之間沒有象光電化學(xué)池那樣被隔開，甚至對極也被設(shè)想是在同一粒子上。在半導(dǎo)體微粒上可以擔(dān)載鉑，有人把鉑作為陰極來看待，但從鉑的作用機制上看更象是催化劑。因為在沒有“外電路”只有水作為電解質(zhì)的情況下，光激發(fā)所產(chǎn)生的電子無法象在體系外的導(dǎo)體中一樣有序地從“光陽極”流向“陰極”，鉑的主要功能是聚集和傳遞電子促進光還原水放氫反應(yīng)。和光電化學(xué)池比較，半導(dǎo)體光催化分解水放氫的反應(yīng)體系大大簡化，但通過光激發(fā)在同一個半導(dǎo)體微粒上產(chǎn)生的電子空穴對極易復(fù)合。這樣不但降低了光電轉(zhuǎn)換效率，而且也影響光解水同時放氫放氧。但實驗證明即使在同時有鉑存在下也只能加速光解水總包反應(yīng)的進行，而無助于在光解水產(chǎn)氫中同時放氧。通過向反應(yīng)體系中注入氣相氧進一步證實，在光照下氧氣會大量被半導(dǎo)體微粒吸收而使半導(dǎo)體材料氧化。盡管半導(dǎo)體光催化循環(huán)分解水同時放氫放氧未能實現(xiàn)，象絡(luò)合催化光解水一樣必須在反應(yīng)體系中加入電子給體或受體分別放氫放氧，但半導(dǎo)體光催化的發(fā)展卻為光催化研究打開了若干新的領(lǐng)域。如大氣和水中污染物的消除以及光氧化合成含氧化合物等。這些新型光催化反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，都是基于對光催化分解水認識的深化和受光催化分解水的啟發(fā)。

　　水和陽光可稱是取之不盡的物質(zhì)。從水中獲得的氫作為能源使用后又回到了水的形態(tài)，是一種*的可持續(xù)開發(fā)和利用。考慮到近幾年太陽能光解水制氫技術(shù)的迅猛發(fā)展和巨大突破，有可能在未來的二三十年內(nèi)就走向?qū)嵱没固柲芄饨馑茪洚a(chǎn)業(yè)化成為現(xiàn)實。該技術(shù)的應(yīng)用將帶來顯著的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，并帶給人類使用能源的革命性變革。

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