太陽(yáng)能光解水

太陽(yáng)能光解水第1頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氫能，是一種最好的無(wú)污染的綠色能源，因?yàn)闅錃馊紵漠a(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境有任何污染。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的自然資源，每年照到地球表面的太陽(yáng)能相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10000倍和全世界化石能源總量的1／10，因此利用太陽(yáng)能光解水制氫是利用太陽(yáng)能的最好方法之一。第2頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光催化分解機(jī)理光催化分解水是一個(gè)不同于光催化降解有機(jī)廢物的反應(yīng)，后者是一下坡反應(yīng)(downhillreaction)，是不可逆的；而前者是一上坡反應(yīng)(up—hillreaction)，即Gibbs自由能增加的反應(yīng)，反應(yīng)中光能將轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，類(lèi)似于植物的光合作用，故這類(lèi)反應(yīng)也被稱(chēng)為人工光合成。第3頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體微粒要完全分解水必須滿足如下基本條件：①半導(dǎo)體微粒禁帶寬度(即能隙)必須大于水的分解電壓1.23eV(理論值)；②光生載流子(電子和空穴)的電位必須分別滿足將水還原成氫氣和氧化成氧氣的要求。具體地講。就是光催化劑價(jià)帶的位置應(yīng)比02／H2O的電位更正，而導(dǎo)帶的位置應(yīng)比H2／H2O更負(fù)；③光提供的量子能量應(yīng)該大于半導(dǎo)體微粒的禁帶寬度。除此之外，還必須考慮：光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的多少和再結(jié)合速率；水分解為H2和02之后，逆反應(yīng)的抑制；光催化劑的穩(wěn)定性等等。這些因素都將對(duì)光解水的實(shí)際效果產(chǎn)生重要影響。第4頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖l所示為幾種半導(dǎo)體的能帶關(guān)系第5頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光輻射在半導(dǎo)體上，當(dāng)輻射的能量大于或相當(dāng)于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而空穴則留在價(jià)帶，使電子和空穴發(fā)生分離，然后分別在半導(dǎo)體的不同位置將水還原成氫氣或者將水氧化成氧氣。圖中路徑A和B分別表示電子和空穴在半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的復(fù)合，是不利于光解水的去激化過(guò)程；路徑C和D則分別表示在半導(dǎo)體表面電子將水還原成氫氣和空穴將水氧化成氧氣。第6頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光解水的原理如圖2所示。第7頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光催化劑Ti02為基的光催化劑光催化劑

光照TiO2電極導(dǎo)致水分解最初由Fuiishima發(fā)現(xiàn)，隨著由電極電解水演變?yōu)槎嘞啻呋纸馑訲i02為基的催化劑迅速發(fā)展。TiO2有3種晶型，即銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型。板鈦礦型TiO2沒(méi)有光催化活性，金紅石型TiO2的活性也較低，實(shí)驗(yàn)證明，銳鈦礦型TiO2催化產(chǎn)生H2的速度是金紅石型TiO。的7倍。另外，在TiO2中摻雜將增加或降低TiO2的光催化活性，摻入比Ti4+高的w6+、Ta5+、Nb5+等離子時(shí)，H2產(chǎn)生的速度加快，而摻入低價(jià)態(tài)離子In3+、Zn3+上等則減慢。第8頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TiO2半導(dǎo)體催化光解水原理TiO2半導(dǎo)體催化光解水的原理，它的禁帶寬度為3.2eV，當(dāng)受到能量等于或高于該能量光的照射時(shí)，電子會(huì)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶上有光致電子，在價(jià)帶上有光致空穴，這種光致電子和空穴有很強(qiáng)的氧化還原能力，光致電子能使水中的H+還原為H2，空穴能使水中的OH-催化氧化為O2(或氧化其他供電體)。第9頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TiO2催化光解水的反應(yīng)機(jī)理如下Ti02+?v→h++e-h++H2O→H++·OH02+2e-+2H-→H202Ti4++e-→Ti3+02+e-→02-H2O2+O-→·OH+OH-十02h++OH-→OH·H++e-→·H·H+·H→H2第10頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其它光催化劑ZnO及RuS2半導(dǎo)體光催化劑有人研究了zn0及RuSz半導(dǎo)體光催化劑，指出ZnO的光催化活性可與Ti02媲美，若在ZnO上附載In等金屬可提高其光催化活性；在RuS2中摻雜Fe，其光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18.3％。除此之外，還有LnP、GaAs、ImGaP等光催化劑。第11頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

光生物催化劑光生物催化是將一種無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和微生物酶偶合起來(lái)制H2的反應(yīng)體系，它的產(chǎn)氫原理是：光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生導(dǎo)帶電子，通過(guò)電子中繼體甲基紫將電子傳遞給生物外的酶或細(xì)菌中的酶，再利用酶催化產(chǎn)H2,而半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴則被體系中的供電體清除。

第12頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物制氫主要包括細(xì)菌制氫和微藻制氫，微藻太陽(yáng)能光水解制氫是通過(guò)微藻光合作用系統(tǒng)及其特有的產(chǎn)氫酶系把水分解為H2和02，微藻制H2又可分為藍(lán)藻光水筋制H2(固氮酶制H2)和綠藻光水解制H2(可逆產(chǎn)氫酶制H2)，但前者產(chǎn)氫效率低，后者產(chǎn)氨效率高。1998年，國(guó)際能源局(IEA)的評(píng)估報(bào)告認(rèn)為綠藻光水解制H2最有應(yīng)用前景第13頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問(wèn)題與展望氫能被人們普遍認(rèn)為是一種無(wú)污染的最清潔的綠色能源，水和太陽(yáng)能是一種取之不盡的物質(zhì)。水光解產(chǎn)生H2，H2和O2反應(yīng)又生成水，自然界中的水完全可循環(huán)利用。且用H。作能源，不會(huì)破壞環(huán)境的平衡，因而，在能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，開(kāi)發(fā)氫能有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。但到目前為止，人們所研制的光催化劑普遍存在光電轉(zhuǎn)換效率低、大多儀能吸收紫外線，而紫外線在太陽(yáng)光中僅占3％左右。最大的太陽(yáng)光強(qiáng)度在500nrrl。因而研究光催化劑時(shí)，關(guān)鍵是要提高其活性并將吸收波長(zhǎng)擴(kuò)展到可見(jiàn)光區(qū)，提高光能的利用率，并消除其在水溶液中發(fā)生的光溶作用。第14頁(yè)，課件共15頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問(wèn)題與展望在無(wú)犧牲劑時(shí)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光的光解水制H2將是今后值得研究的重要課題，但在當(dāng)前光解水制氫沒(méi)有取得大的突破的情況下