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上海比朗儀器制造有限公司
主營產品： 上海超聲波細胞粉碎機,上海超聲波細胞破碎儀,上海低溫超聲波萃取儀,上海超聲波提取機 |
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2014-3-4
上海比朗淺談光解水制氫系統。
現代社會，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發展的理想能源。
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。
經過收集資料，我們了解到，太陽能光催化制氫技術的原理如下：
在標準狀態下把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，科學家們往水中加入一些半導體光催化材料，通過這些物質吸收太陽光能并有效地傳給水分子，使水發生光解。以二氧化碳鈦半導體光催化材料為例，當太陽光照射二氧化化鈦時，其價帶上的電子(e-)就會受激發躍遷至導帶，同時在價帶上產生相應的空穴(h+),形成了電子空穴對。產生的電子(e-)、空穴(h+)在內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.光電化學池：即通過太陽板吸收太陽能并將光能轉化為電能。
二.助絡合催化：即人工模擬光合作用分解水的過程。
三.半導體催化：即將Tio2或cds等光半導體微粒直接懸浮在水中進行光解水反應。
在這里，我們著重研究了一，三點。
光電化學池——光陽極通常為光半導體材料，受光激發可以產生電子。空穴對。光陽極和對極(陰極)組成光電化學池，在電解質存在下光陽極吸光后在半導體導帶上產生的電子通過外電路流向對極，水中的質子從對極上接受電子產生氫氣。光電化學池法的優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合幾率。其缺點是必須加偏壓，從而多消耗能量。
半導體催化——半導體光催化在原理上類似于光電化學池，細小的光半導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池那樣被隔開，甚至對極也被設想是在同一粒子上。在半導體微粒上可以擔載鉑，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”只有水作為電解質的情況下，光激發所產生的電子無法象在體系外的導體中一樣有序地從“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。和光電化學池比較，半導體光催化分解水放氫的反應體系大大簡化，但通過光激發在同一個半導體微粒上產生的電子空穴對極易復合。這樣不但降低了光電轉換效率，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的進行，而無助于在光解水產氫中同時放氧。通過向反應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體微粒 吸收而使半導體材料氧化。盡管半導體光催化循環分解水同時放氫放氧未能實現，象絡合催化光解水一樣必須在反應體系中加入電子給體或受體分別放氫放氧，但半導體光催化的發展卻為光催化研究打開了若干新的領域。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的發現，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。
水和陽光可稱是取之不盡的物質。從水中獲得的氫作為能源使用后又回到了水的形態，是一種*的可持續開發和利用。考慮到近幾年太陽能光解水制氫技術的迅猛發展和巨大突破，有可能在未來的二三十年內就走向實用化，使太陽能光解水制氫產業化成為現實。該技術的應用將帶來顯著的經濟效益、環境效益和社會效益，并帶給人類使用能源的革命性變革。
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