1、利用太阳能分解水的进展,人类新挑战：能源危机和环境危机,能源危机 石油价格飘升，一年从$50到$130/桶世界能源消耗 20年内会加倍环境危机全球变暖环境污染,太阳能未来最理想的能源,太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，其氢的储量足够维持100亿年太阳每小时辐射到地球的能量约为18万兆瓦，相当于燃烧90兆吨优质煤的热量；太阳能是取之不尽，用之不竭的且无污染的能源。,氢能,氢在石油化学工业中有着广泛的用途，氢作为化工原料对发展石油化学工业及农业均有着重要作用。新能源汽车,美国通用汽车公司“氢动一号”,获取氢气的方法,1太
2、阳热分解水制氢法2太阳能电解水制氢法3太阳能光电化学电池分解水制氢法4模拟植物光合作用分解水制氢法5太阳光络合催化分解水制氢法6微生物发酵制氢法7光合微生物制氢法等高技术制氢方法,最理想方法！,利用光子，直接破坏H-O键,光解水原理,水是一种非常稳定的化合物,若要把水分解为H2 和O2 ,则H 0 、G 0 ,此反应为焓增、自由能增加的非自发过程;若要将1mol 水分解催化光解水则需吸收237kJ 的能量。,H2,O2,注入能量,以TiO2 半导体为例来说明光解水的原理,它的禁带宽度为3. 2eV ,当受到能量等于或高于该能量光的照射时,电子会从价带跃迁到导带,在导带上有光致电子,在价带上有光
3、致空穴,这种光致电子和空穴有很强的氧化还原能力,光致电子能使水中的H +还原为H2 ,空穴能使水中的OH - 催化氧化为O2 (也可以氧化其它供电体),TiO2 催化光解水的反应机理为:TiO2 + h h+ + e-h+ + H2 O H+ + O HO2 + 2e- + 2 H+ H2 O2Ti4 + + e- Ti3 +O2 + e- O2-H2 O2 + O2- O H + O H- + O2 h+ + O H- O H H+ + e- HH + H H2但是,并非价带电子能被光激发的半导体都能分解水,除了其禁带宽度要大于水的分解电压外,还有电化学方面的要求:即半导体导带电势应比E (
4、 H + / H2 ) 更负, 而价带的电势要比E(O2 / H2O) 更正。理论上,半导体的禁带宽度大于1. 23eV 即能光解水,但由于存在过电位,故最合适的禁带宽度为1. 8eV,大多数光催化剂仅能吸收紫外光,而紫外光在整个太阳光中所占比例仅为3 %左右,核心问题：,寻找可见光波段内的高效催化剂,研究历史,60年代末，日本两位科学家发现二氧化钛经光（紫外线）照射可分解水的现象。他们本拟应用这一方法制氢，但由于氢和氧的生成量较少，在经济上不合算而中断了这一研究据日刊工业新闻日前报道，该研究所科学家使用从核电站的反应堆及使用过的核燃料储藏设施中产生的伽马射线开发出两种制氢技术。其一是使用伽马
5、射线直接照射辐射性催化剂把水分解为氢和氧；其二是利用荧光物质把伽马射线转变为紫外线，然后照射光催化剂，把水分解为氢和氧,各种催化剂：1.较成熟度TiO2为基的光催化剂及其它过渡金属氧化物光催化剂： 光照TiO2 电极导致水分解最初由Fujishima 发现,随着由电极电解水演变为多相催化分解水,以TiO2 为基的催化剂迅速发展。 除TiO2 外,其它如Sr TiO3 也被广泛研究,通过在Sr TiO3上负载各种贵金属,增加了其光催化活性,已证明Rh/ Sr TiO3具有较高的光催化效率。 同一基上负载不同物质，催化效率也不同。下提供一表供参考,表1 CoO/ SrTiO3 和NiO/ SrTi
6、O3 的活性比较Table 1 Activity comparison of CoO/ Sr TiO3 and NiO/ Sr TiO3 CoO/ SrTiO3 (450 还原,200 氧化) NiO/ SrTiO3 (500 还原,200 氧化)CoO 附载量,wt % 产氢速率,mol/ h g cat NiO 附载量,wt % 产氢速率,mol/ h g cat 0. 05 87. 3 0. 05 59. 1 0. 1 483. 6 0. 1 148. 8 0. 2 420. 2 0. 2 83. 7 0. 3 322. 4 0. 3 65. 5 0. 5 135. 0 0. 5 28.
7、 5,层状化合物催化剂： 即在层状化合物中负载Cs,TiO2,Pt.Ni等，提高催化活性，如：1.在HCa2Nb3O10层状化合物中嵌入TiO2 及Pt 2.将 Ni2+ 引入K4Nb6O17的层中3.负载Ni 的层状化合物1wt %Ni/ CsLa2 Ti2NbO10 总之,将催化剂设计成层状结构能使H2和O2 在不同位置反应产生,阻止光致电子和空穴的复合,有效提高催化剂光解水的活性。,ZnO及RuS2 半导体光催化剂： 有人研究了ZnO及RuS2半导体光催化剂,指出ZnO的光催化活性可与TiO2 媲美,若在ZnO 上附载In 等金属可提高其光催化活性; 在RuS2 中掺杂Fe , 其光转换
8、效率可达18. 3 %。,可见光催化剂: 大多数光催化剂仅能吸收紫外光,而紫外光在整个太阳光中所占比例仅为3 %左右,因而研究能用于可见光的光催化材料显得尤为重要 日本的Tet suya Kida 等研究了在可见光作用下用LaMnO3 /CdS 复合纳米材料光催化分解水,这种复合纳米材料可由反胶束法制备,具有很高的光催化活性。CdS 是一种半导体光催化剂,LaMnO3 单独使用时没有催化光解水的作用, 而当组成LaMnO3 / CdS 复合纳米材料时却显示出很强的光催化活性(有牺牲剂Na2 S 存在时) 南京大学邹志刚教授研究了用In1 - x Nix TaO4 (x = 00. 2)系列光催
9、化剂可见光光解水,该催化剂在可见光的照射下能分解水产生化学计量的氢气和氧气,量子效率可达0. 66 %,光光生物催化是将一种无机半导体和微生物酶偶合起来制H2 的反应体系,它的产氢原理是:光激发半导体产生导带电子,通过电子中继体甲基紫将电子传递给生物外的酶或细菌中的酶,再利用酶催化产H2 ,而半导体价带中的空穴则被体系中的供电体清除,生物催化剂:,最新进展,综合新华社驻东京记者和驻伦敦记者报道 日本科学家日前宣布他们研制成了分解水的新型催化剂，在阳光中的可见光波段就能把水分解为燃料电池所必需的氧和氢。科学家称，这种仅用阳光和水就能生产出氢和氧的技术将成为“人类的理想技术之一”。 日本产业技术综
10、合研究所的科学家研制出一种新型的光催化剂，它由铟钽氧化物组成，表面有一层镍氧化物。这种催化剂在可见光波段起作用，它的催化效率和使用寿命都高于现有的同类催化剂。 在实验中，该所科学家采用阳光中波长为402纳米的可见光对水进行分解，结果氧和氢的生成率为0.66%。据介绍，如果应用纳米技术改进催化剂的结构特别是表面结构，可把水的分解率提高百倍。该研究所的新闻公报说，这一科研成果虽然还处于实验阶段，但在世界上是首创，科学家已将这一成果发表在12月6日出版的英国自然杂志上。,最新进展,美国宾夕法尼亚州立大学的科学家近日在纳米快报上发文称，由自动排列、垂直定向的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜，可在太阳光的照射下将水分解为氢气和氧气。这种新的光电解水技术费用低廉、污染少，而且还可以不断改进。,最新进展,据美国每日科学网报道，由澳大利亚莫纳什大学领导的一支国际科学家小组利用在植物中发现的化学物质来复制光合作用的关键过程，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此技术性突破可以革新再生能源行业的制氢工艺，从而可以利用阳光来大规模生产清洁的绿色能源氢气。,谢谢,作者：郑重 邢健 E-mail ,
