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光电催化制氢基本原理及性能特点

发布时间:2016-07-18 14:02  文章来源:未知  文章作者:高级氧化技术工程

  随着能源的目益枯竭,人们在开发利用不可 原理及结构体系再生能源的同时,也在努力寻找新的替代能源。太阳能因能量取之不尽等优点而成为目前人们研究和开发利用的热点研究对象,太阳能电池和利用太阳能获得氢能是其中的研究热点。利用太阳能获得氢能途径很多,其中对太阳能光电化学电池分解水制氢研究得较为深入。利用太阳电池获得电能和光电解水制氢一直以来是人们研究的兴趣所在,已有这方面的文献综述。
 

光电催化
 

  半导体光电催化分解水制氢气基本原理

  半导体分解水光电催化反应是以光照后半导体内产生电子一空穴对为起点的。半导体光电催化分解水的基本原理是,当光子能量大于等于n-TiO2禁带宽度的光照射半导体表面时,价带电子吸收光子能量跃迁到导带而成为导带电子,同时在价带上产生空穴,光生电子一空穴对经半导体表面空间电荷层电场分离后,分别参加如下电极反应:

  铂电极上的阴极还原:2H+ +2e- →H2, (1)

  半导体电极上的阳极氧化:2H20-2 e- → O2+4H+ (2)

  用于光催化制氢的半导体材料的 必须满足下式:

  Eg ≥△EF+e(1.23+ Vb +ηc) (3)

  依此式估算,半导体光阳极材料的Eg必须大于2.5eV时才能使水分解。

  光子能量与光波长存在对应的关系,人们只能利用太阳能光谱中波长小于497 nm的光子来光电解水,因而太阳能利用效率较低。虽然半导体光催化也能分解水,但由于处于同一半导体微粒上,光生电子一空穴对极易发生复合,从而降低了光电转换效率。相比之下,半导体光电催化制氢具有减少电子一空穴对的复合,电子和空穴分离效率较高,能在两极上分别获得氢气和氧气的优点。
 

光电催化
 

  光电催化剂TiO2的性能特点

  作为光电催化剂,TiO2禁带宽度适中、耐光腐蚀和化学稳定性好,为此人们对其光电催化性能进行了广泛的研究。TiO2光催化活性与晶型、表面电子结构、颗粒尺寸、光吸收带边及禁带宽度、表面态等因素有关。研究表明:TiO2光催化性能很大程度上取决于光生电子一空穴对的分离效率。分离效率越高,催化活性一般也越好。因此抑制电子一空穴的复合有利于提高催化性能。由Eg于较大,一般只能吸收太阳光的很少部分能量,光吸收能力差,通过半导体复合等途径可以改善其光吸收性能。HC1和HC104修饰TiO2表面会影响其表面电子结构,使表面 Ecb能级正移,表面Eg增加,表面态浓度降低。表面态常充当光生载流子的复合中心,表面态的减少降低了光生载流子的复合几率,使光催化活性得以提高。

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