太阳能光解水制氢研究的发展方向
化学先生 / 2019-08-02
氢能作为一种干净的可再生能源，在未来新能源的研究中占有重要地位。从非烃原料大规模生产氢，是20世纪80年代中以来催化领域中最活跃的研究课题之一。众所周知，除电解水制氢以外，在工业上氢的大规模生产主要是热化学方法。其中包括非催化的水碳反应以及烃类的蒸汽重整和水煤气变换等热催化过程。在这些方法中，氢也主要来源于水，但反应必须在高温下进行，消耗大量的化石燃料并排放出二氧化碳，造成碳资源损失和环境污染。若能利用太阳能通过光解水方法大量生产氢气，对新能源的开发将具有重大战略意义。然而，通过前面的简要回顾不难看出，太阳能光解水制氢的研究距实际应用还相当遥远。有必要从太阳能利用角度出发，对光解水制氢研究的发展方向加以讨论。
(1)改进光电化学池方法 首先将太阳能转化为电能，再通过电解水制氢。除目前已经进人实用化阶段的太阳能光伏电池和太阳能热发电以外，值得注意的是前面提到过的M. Graetzel及其合作者报道的可见光敏化TiO2纳米晶光伏电池。据称，这种新型电池的光电转换效率可达10%以上，且价格比硅太阳能电池便宜。后来，他们又对电池的结构和性能进行了改进，采用一种无定形有机空穴导电材料作为固体电解质，光电转换效率可进一步提高。如果将这种新型可见光敏化光伏电池用于太阳能光解水制氢，则有可能发展成-种全新的光电化学池分解水复合装置，从功能上对光合作用中的分解水过程进行模拟，其结构示意图见图6-4和图6-5。由于Graetzel的这种新型太阳能电池，近年来在国际上产生了重大影响。
(2)对络合光催化和半导体光催化分解水体系进行改造通过固载化、 聚合及成膜等技术制成具有吸收可见光、电荷转移和催化功能的分子装置。把光解水制氢和光催化氧化处理有机污染物或含氧化合物的合成结合起来，提高过程的效率和效益以及反应体系的稳定性。从人工模拟光合作用的角度而言，用电荷转移光敏络合物敏化半导体，可以进一步推进太阳能光化学转化和储存的实用化。但只有通过化学合成和组装方法制作分子装置，才能将人工模拟光合作用提高到分子水平。
(3)和太阳能热利用相结合在 太阳辐射中红外光占50%，通过热催化转化把这部分太阳能利用起来，作为光解水制氢的辅助储能手段，可以提高太阳能全谱的能量转换效率。具体方法是利用吸热反应吸收太阳的热能，再通过放热反应使热量释放出来，以达到太阳能热化学储存的目的。俄罗斯和澳大利亚学者在这方面已做了大量工作，并建有模拟装置。可以用于太阳能热化学储存的催化反应有甲烷蒸汽重整(吸热)和甲烷化(放热)、氨分解(吸热)和合成氨(放热)等。
(4)继续寻找新型可见光半导体用于光解水制 氢和光电转换材料。复合氧化物半导体，如ZnFe2O4的光催化性能值得进一步 研究。根据近年来的实验结果，在可见光照射下，ZnFe2O4的光催化活性可以和Pt/CdS相比。不必担载贵金属就可以用于H2S和CH3OH的光解、对氯苯酚的光催化氧化以及从废水中回收金。在相同条件下活性优于TiO2，稳定性比CdS要好。此外，我们还对纳米ZnFezO4的制备和表征进行了较系统的研究，以便进一步探索其用于纳米晶光伏电池膜电极材料的可能性。近年来日本东京工业大学K. Domen及其合作者在复合氧化物催化剂光解水方面也做了大量工作。
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