光催化分解水制氫研究進(jìn)展

【摘 要】本文綜述了光催化分解水制氫的基本原理、光催化分解水制氫研究所面臨的問題、新型光催化水處理反應(yīng)器、光催化分解水制氫的應(yīng)用，并對(duì)光催化水制氫的未來發(fā)展進(jìn)行展望

【關(guān)鍵詞】光催化;制氫

Abstract：The prospects for the development of highly efficient photocatalysts for H2 production is also discussed.

Key words：photocatalytic;hydrogen production

1前言

把太陽能轉(zhuǎn)化為氫能，發(fā)展高效、低成本的太陽能規(guī)?；茪浼夹g(shù)具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益[1，2]。20世紀(jì)70年代初，日本東京大學(xué)Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)利用二氧化鈦（TiO2）半導(dǎo)體單晶電極可發(fā)生光催化使水分解成氫和氧。從能源和環(huán)境的角度來說，太陽能光催化制氫也可能是最終的解決辦法利用光催化分解水反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能成為了太陽能利用最有效、可靠的途徑之一[3]

2光催化分解水制氫的基本原理

水轉(zhuǎn)化成氫氣和氧氣，是一個(gè)能量增大的非自發(fā)反應(yīng)由于受熱力學(xué)條件限制采用熱催化方法較難實(shí)現(xiàn)，如果進(jìn)行熱水分解，需要高溫高壓根據(jù)理論計(jì)算，在水溶液電解池中將一個(gè)水分子電解為氫和氧只需要1.23V的電壓。綠色植物的光合作用就是通過葉綠素吸收太陽光，然后借助電子轉(zhuǎn)移過程再把光能轉(zhuǎn)化為電能將水分解的。

從熱力學(xué)角度講，水的分解過程是爬坡反應(yīng)，屬于非自發(fā)過程，需要外部能量來驅(qū)動(dòng)進(jìn)行，反應(yīng)所需吉布斯自由能為237kJmol-1。在光催化分解水反應(yīng)過程中，半導(dǎo)體首先吸收能量大于其帶隙（Eg）的光子，使光生電子（e-）由半導(dǎo)體的價(jià)帶（VB）躍遷至其導(dǎo)帶（CB），與此同時(shí)，在價(jià)帶上產(chǎn)生了光空穴（h+），進(jìn)而完成光生電子和空穴的分離。最后光生電子轉(zhuǎn)移至析氫共催化劑表面進(jìn)行光催化析氫反應(yīng)，光生空穴轉(zhuǎn)移至析氧共催化劑表面進(jìn)行光催化析氧反應(yīng)按照反應(yīng)熱力學(xué)要求，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底電位應(yīng)比H+/H2（0VvsRHE）電位更負(fù)，而價(jià)帶頂電位比O2/H2O（1.23VvsRHE）電位更正。因而，理論上驅(qū)動(dòng)整個(gè)光催化分解水反應(yīng)所需的最小光子能量為1.23eV。若將析氫和析氧反應(yīng)的過電勢考慮在內(nèi)，光子能量至少要達(dá)到1.6eV以上。因此，在半導(dǎo)體基光催化材料研究領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容是其能帶位置。

3光催化分解水制氫研究所面臨的問題

由于H2O被氧化成O2的過程是4電子反應(yīng)，同時(shí)需要至少兩個(gè)H2O吸附于光催化劑表面。在無共催化劑存在的情況下會(huì)嚴(yán)重阻礙該反應(yīng)的進(jìn)行，因而導(dǎo)致電荷積累。最終H2O會(huì)通過單電子或雙電子過程被光催化氧化成OH或H2O2而不產(chǎn)生H2。

除上述可能發(fā)生的副反應(yīng)之外，光催化分解水的逆反應(yīng)也同樣加以有效抑制。許多光催化反應(yīng)的金屬基析氫共催化劑，由于金屬與氫的相互作用可能涉及到O，因而可能會(huì)通過熱催化或電催化的方式發(fā)生氧還原反應(yīng)，這種逆反應(yīng)的發(fā)生也會(huì)對(duì)光催化分解水制氫反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。

4新型光催化水處理反應(yīng)器

4.1懸浮式光催化反應(yīng)器

Puma[24]等設(shè)計(jì)的噴泉式反應(yīng)器，利用特殊的噴頭噴出薄膜狀的水流，光源則在薄膜的上方對(duì)其進(jìn)行照射，此反應(yīng)器具有很高的光催化效率和傳質(zhì)速率，且不存在膜“中毒”的問題，適合在水處理凈化領(lǐng)域大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。

4.2固定式光催化反應(yīng)器

固定式光催化反應(yīng)器一般將催化劑涂覆或嵌入固定的載體上，當(dāng)待處理液在其表面流動(dòng)時(shí)對(duì)污染物產(chǎn)生降解。此類光催化反應(yīng)器適合放大進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，但是其傳質(zhì)效率依然比較低。

5光催化分解水制氫的應(yīng)用

5.1 TiO2光催化材料在飲用水深度處理中的應(yīng)用

TiO2光催化材料能有效降解飲用水中的微量有機(jī)污染物、去除無機(jī)污染物、殺滅微生物等，在飲用水的深度處理領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

5.2 α-Fe2O3光電催化分解水

通過改變?chǔ)?Fe2O3的形貌、對(duì)α-Fe2O3進(jìn)行摻雜、與其他材料的復(fù)合、引入氧空位可以從提高載流子濃度，可以縮短載流子的遷移路程，促進(jìn)光生載流子的遷移，減少載流子的復(fù)合。

5.3紅磷單質(zhì)光催化劑分解水制氫

2019年，Zhu等[32]利用CVD法，成功將Hittorfs紅磷負(fù)載在g-C3N4上（PCN）.在可見光照射下，該復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化活性

6總結(jié)與展望

目前，光催化分解水的諸多問題還不明晰，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究將促進(jìn)這一領(lǐng)域的發(fā)展。探索新的研究手段和方法，構(gòu)建新型、連續(xù)、穩(wěn)定、高效的分解水制氫反應(yīng)體系，促進(jìn)太陽能規(guī)模制氫技術(shù)的發(fā)展等，為開發(fā)具有可見光響應(yīng)的高效光催化劑提供依據(jù)，將是今后重要的工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛宗強(qiáng)（Mao Z Q）.氫能（Hydrogen Energy）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社（Beijing：Chemical Industry Press），2005.1—18

[2]郭烈錦（Guo LJ），劉濤（Liu T），紀(jì)軍（Ji J），趙亮（Zhao L），郝小紅（Hao X H），延衛(wèi)（Yan W）.科技導(dǎo)報(bào)（Science&Technolog Review），2005，（2）：29—33

[3]Hisatomi T，Domen K. Reaction systems for solar hydrogen production via water splitting with particulate semiconductor photocatalysts [J].Nat. Catal.，2019，2：387-399.

作者簡介：

孟雪婷（1999.11.25），女，漢族，遼寧阜新人，廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，18級(jí)在讀本科生，本科學(xué)位，專業(yè)：化學(xué)工程與工藝，研究方向：化學(xué)工程與工藝。

（作者單位：廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）