光催化制氢材料

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1、化学与分子科学学院无机化学研究所彭天右2009，10氢能材料及光催化制氢研究进展一、目前的能源结构与现状世界能源主要依赖不可再生的化石资源；我国能源结构面临经济发展和环境保护的双层压力；氢能作为理想的清洁的可再生的二次能源，其形成的关键是廉价的氢源；太阳能资源丰富、普遍、经济、洁净。太阳能光分解水技术可望获得廉价的氢气，还可就地生产。其其煤石油天然气其他中国石油煤天然气其他世界CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx1、光-热转换2、光电转换a)光伏电池b)光电化学电池c)染料敏化光电化学电池3、光－化学能转换二、太阳能利用的基本途径光↔化学能转化FuelsCOSugarH

2、OO222H2OOH22scMeSemiconductor/LiquidJunctions太阳能＋水＝氢？Photosynthesis三、氢能经济的缘起1、“氢能经济”提出的背景环境问题日益严重；资源储备日渐匮乏；能源安全引起的冲突加剧；2、氢能经济的构想ChryslerNatrium车(2001)三、氢能经济的缘起美国：启动氢能发展计划生物质制氢，太阳能制氢欧洲：氢能电动汽车．生物质制氢，太阳能制氢日本：氢能电动汽车光生物制氢中国：氢能电动汽车生物质制氢，化石燃料制氢0.2L液H2/100km3、各国的氢能开发计划三、氢能经济的缘起如何实现大规模地廉价制氢？—制氢如何经济、合

3、理、安全地储存氢？—储氢如何高效率、低成本地利用氢？—利用氢四、氢能技术的难点1.化石燃料制氢—目前主要的制氢方法成熟、廉价，但资源和环境问题并未解决2.生物质为原料制氢光合效率、水土面积、集中和储运成本等问题3.水分解制氢利用光化学、热化学和电化学方法制氢。然而，太阳能的收集、高品质热能和电能的产生方法，都是首先要解决的问题。五、制氢技术简介合成氨：50％石油精练：37％甲醇合成：8％全球年产氢：5000亿Nm3化石燃料制氢占96%(1)甲烷重整(SteamMethaneReformation,SMR)1、化石燃料制氢SMR反应利用有机物高温下与水的反应，不仅自身脱氢，同时将

4、水中的氢解放出来。此法也适于生物质制氢。五、制氢技术简介(2)天然气热解制氢将天然气火焰在裂解炉加热到1400℃，关闭裂解炉使天然气发生裂解反应，产生氢气和碳黑。裂解炉CH4H2碳黑甲烷的部分氧化：CH4+O2→CO(g)+H2(g)1、化石燃料制氢五、制氢技术简介(3)煤汽化：C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g)(4)重油部分氧化CnHm+O2→CO（g）+H2（g）CnHm+H2O→CO（g）+H2（g）H2O+CO→CO2（g）+H2（g）五、制氢技术简介2、电解水制氢正极：2OH－H2O+½O2+2eφ=0.401V负极：2H2O+2e2OH－+H2φ=－

5、0.828V理论分解电压1.23V，每1Kg氢电耗为32.9KWh。实际为～46.8KWh。(1)碱性水溶液电解2OH-H2O＋½O2+2e2H2O+2e2OH-+H2采用Ni或Ni合金电极，效率～75％SPE电解水技术的主要问题是质子交换膜和电极材料的价格昂贵。(2)质子膜电解水发生器隔膜:全氟磺酸膜(Nafion)阴极:Pt黑阳极:Pt、Ir等的合金或氧化物3、生物质制氢五、制氢技术简介(1)生物质能的特点可再生性，生物质能通过植物光合作用再生，可保证其永续利用；低污染性，生物质硫、氮含量低、燃烧生成SO2等较少，生长时所需CO2相当于排放量，因而CO2净排放量近似于零

6、，可减轻温室效应；广泛分布性，缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能；总量十分丰富，仅次于煤炭、石油和天然气。(2)生物制氢技术藻类和蓝细菌光解水；光合细菌光分解有机物；有机物发酵制氢；光合微生物和发酵性微生物的联合运用生物质热解或气化制氢。(3)生物质制氢两大途径热化学分解过程包括高温气化或中温热分解以及加水分解等，先得到含CO和H2的气体，进一步转化为氢气。生物过程包括:1）厌氧发酵产生甲烷为主的气体然后加工为氢气；2）利用某些微生物(如绿藻)的代谢功能，通过光化学分解反应产生氢。热化学分解过程技术基本成熟，将实现工业生产。生物过程适合做民用燃料，大规模制氢不经济，处于基础研究

7、阶段。3、生物质制氢五、制氢技术简介生物质(秸杆)暗发酵产氢简单糖类光发酵产氢氢能发电H2+CO2H2+CO2气体收集系统有机酸有机酸糖类H2+CO2气体分离系统CO2H2生物质生物氢能1kg秸杆产生120L氢厦门大学生物能源中心半导体光催化制氢Z-型体系光催化法悬浮体系光催化法光电化学体系制氢六、光催化制氢简介M.Gratzel,etal,Nature,1991,353:737;Nature,1998,395:583;S.U.M.Khan,etal,Science,2002,297:224