光催化分解水综述.ppt

《光催化分解水综述.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、光催化分解水氢是一种热值很高的清洁能源,其完全燃烧的产物—水不会给环境带来任何污染,而且放热量是相同质量汽油的2.7倍。因而开发低能耗高效的氢气生产方法,已成为国内外众多科学家共同关注的问题自从日本的Fujishima等于1972年首次发现在近紫外光(380nm)的作用下,金红石型TiO2单晶电极能使水在常温下分解为H2和O2以来,从光能量转换的观点出发,光催化分解水制取氢气领域出现了大量的研究前言从太阳能利用角度看，光解水制氢主要是利用太阳能中阳光辐射的紫外和可见部分。目前，光解水制氢主要通过以下三个途径实现光化学电池（PEC

2、）光助络合催化半导体光催化水的太阳能光解光解水光化学电池是通过光阳极吸收太阳能并将光能转化为电能。光阳极通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子-空穴对。光阳极和对极组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体导带上产生的电子通过外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子产生氢气光化学电池（PEC）光助络合催化是人工模拟光合作用分解水的过程。从原理上模拟光合作用的吸光、电荷转移、储能和氧化还原反应等基本物理化学过程该反应体系比较复杂，除了电荷转移光敏络合物以外，还必须添加催化剂和电子给体等其他消耗性物质。此外，大多数金属络

3、合物不溶于水只能溶于有机溶剂，有时还要求有表面活性剂或相转移催化剂存在以提高接触效率光助络合催化优点缺点半导体光催化分解水制氢的反应体系大大简化光激发在同一个半导体微粒上产生的电子-空穴对极易复合不但降低了光电转换效率，同时也影响光解水同时放氢放氧将光半导体（如TiO2,CdS）微粒直接悬浮在水中进行光解水反应。半导体光催化在原理上类似于光化学电池，细小的光半导体微粒可以被看作一个个微电极悬浮在水中，像光阳极一样起作用，所不同的是它们之间没有像光电化学池那样被隔开半导体光催化半导体光催化剂吸收光子,形成电子-空穴对电荷分离并转移

4、到表面的反应活性点上在表面进行化学反应,从而析出氢气和氧气半导体光解水制氢的反应历程以TiO2（负载Pt和RuO2）为例。TiO2为n型半导体，其价带(VB)和导带(CB)之间的禁带宽度为3.0eV左右。当它受到其能量相当或高于该禁带宽度的光辐照时，半导体内的电子受激发从价带跃迁到导带，从而在导带和价带分别产生自由电子和空穴。水在这种电子-空穴对的作用下发生电离，生成H2和O2。表面所负载的Pt和RuO2分别能加速自由电子向外部的迁移,促进氢气的产生和加速空穴的迁移有利于氧气的生成半导体光解水制氢的原理TiO2光解水的反应机理理

5、论上，半导体禁带宽度大于1.23eV就能进行光解水，但如果把能量损失考虑进去，最合适的禁带宽度为2.0～2.2eV禁带宽度要大于水的电解电压（理论值1.23eV）价带和导带的位置要分别同O2/H20和H2/H2O的电极电位相适宜光解水对半导体材料的要求电化学对半导体的要求：半导体价带的位置应比O2/H20的电位更正(即在它的下部),导带的位置应比H2/H2O更负(即在它的上部)半导体能带结构同水分解电位的对应关系氢和氧的逆反应结合已进入气相的氢和氧，在催化剂表面上再吸附并反应半导体负载的Pt等金属上产生的氢原子，通过“溢流”作用

6、和表面的氧原子反应在半导体表面已形成的分子氢和氧，以气泡形式留在催化剂上，当它们脱离时，气泡相互结合产生逆反应光生电子-空穴的再结合光生电子-空穴对容易发生再结合，这对分解水是十分不利的光催化反应效率的影响因素电子-空穴再结合的抑制抑制电子-空穴再结合的途径主要通过光催化剂的改性来实现。主要方法有贵金属沉积；复合半导体；离子掺杂；表面光敏化；表面还原处理；超强酸化；表面螯合及衍生作用等提高光催化反应效率的途径添加高浓度碳酸根离子其他途径加入电子给体或受体氢和氧结合逆反应的抑制通过除去反应生成的气相产物、在反顶部照射、设计层状结构

7、催化剂（使氢和氧在不同位置的反应点产生）等方法阻止逆反应的发生光催化分解水可以分为水的还原和水的氧化两个反应。通过向体系中加入电子给体不可逆的消耗反应产生的空穴，以提高放氢反应的效率；通过加入电子受体不可逆的结合产生的电子，以促进放氧反应的效率对于典型的Pt-TiO2催化剂，高浓度的碳酸根离子可以抑制在Pt上发生的逆反应，同时通过形成过碳酸根也促进了氧的释放目前广泛使用的半导体催化剂主要是过渡金属氧化物和硫化物。其中对TiO2光催化剂研究得最多。CdS也是研究得较多的催化剂，其禁带宽度只有2.4eV，可利用太阳能，且具有很好的放

8、氢活性，但由于易发生光腐蚀而受到限制介绍一些新近研究的催化剂，如钽酸盐光催化剂，层状结构化合物催化剂及其他一些特殊结构的催化剂新型光解水催化剂钽酸盐光催化剂日本东京理工大学H.Kato和A.Kudo研究组研究了一系列的钽酸盐的光催化活性。研究发现与钛酸盐催化剂不