光分解水制氫的相關(guān)介紹ppt課件

1、光分解水制氫的相關(guān)介紹南峰2019/10/191; 1.光分解水的背景介紹 2.光分解水的原理介紹 3.光分解水的研究進(jìn)展2;3;1.光分解水的背景介紹世界能源主要依賴(lài)不可再生的化石資源。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙層壓力。氫能作為理想的清潔的可再生的二次能源，其形成的關(guān)鍵是廉價(jià)的氫源。太陽(yáng)能資源豐富、普遍、經(jīng)濟(jì)、干凈。太陽(yáng)能光分解水技術(shù)可望獲得廉價(jià)的氫氣，還可就地生產(chǎn)。4;2.光分解水的原理介紹光分解水的反應(yīng)機(jī)理1.吸收光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)2.產(chǎn)生的電子和空穴分別向半導(dǎo)體表面移動(dòng)3.發(fā)生 氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣5;2.光分解水的原理介紹半導(dǎo)體微粒要完全分解水必須滿(mǎn)足如下基本條件

2、：半導(dǎo)體微粒禁帶寬度，即能隙必須大于水的分解電壓理論值1.23eV。光生載流子電子和空穴的電位必須分別滿(mǎn)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O2/H2O的電位更正 ,而導(dǎo)帶的位置應(yīng) 比H2/H2O更負(fù)。光提供的量子能量應(yīng)該大于半導(dǎo)體微粒的禁帶寬度 。常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)6;設(shè)計(jì)在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有強(qiáng)吸收的半導(dǎo)體材料是高效利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵性因素太陽(yáng)光譜圖7;3 光分解水的研究進(jìn)展3.1 研究的基本材料3.2 研究的相關(guān)進(jìn)展3.3 現(xiàn)在遇到的瓶頸8;3.1 研究的基本材料TiO2的結(jié)構(gòu)金紅石型銳鈦礦型9;TiO2優(yōu)點(diǎn)：（1對(duì)腐蝕性有高抵抗性（2便宜且易獲得（3對(duì)環(huán)

3、境友好（4能帶位置與氫和氧的反應(yīng)電勢(shì)相匹配CdS 禁帶比較窄,能夠吸收可見(jiàn)光,并且導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置也與水的氧化還原電位相匹配,似乎可以完全分解水。但是由于S2-在水溶液中比水分子更容易被氧化,所以很難生成氧氣分子,伴隨著氫的產(chǎn)生,CdS發(fā)生光腐蝕。10;3.2 研究的相關(guān)進(jìn)展 1972 年日本東京大學(xué)的A. Honda等首次報(bào)導(dǎo)TiO2 單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生H2這一現(xiàn)象后，半導(dǎo)體光催化分解水制氫的研究開(kāi)始興起，并得到了較快的發(fā)展。 繼TiO2后，過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合氧硫/硒化物如ZrO2，CdS，WO3，F(xiàn)e3O4，IRuO2等得到了廣泛研究。 近年來(lái)，具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物如鈦酸鹽、

4、鈮酸鹽和堿金屬鉭酸鹽系列成為熱點(diǎn)研究體系。 典型：NiOK4Nb6O17，RuO2Ba2Ti4O911; 近年來(lái)，光分解水技術(shù)在制氫、環(huán)保等方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，光分解水技術(shù)已成為國(guó)際上最活躍的研究領(lǐng)域之一。可是TiO2有兩大缺點(diǎn)：（1吸收太陽(yáng)能光譜紫外部分較多，可見(jiàn)光部分很少（2光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)復(fù)合率較高解決辦法金屬摻雜、離子摻雜和半導(dǎo)體復(fù)合等方法12;電子激發(fā)后向金屬遷移時(shí)被Schottky 能壘所俘獲,降低了光生電子-空穴的復(fù)合幾率,從而達(dá)到延長(zhǎng)自由電子-空穴對(duì)存活壽命以及抑制再結(jié)合及逆反應(yīng)的目的,有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。金屬摻雜半導(dǎo)體Schottky 勢(shì)壘示意圖金屬摻雜13;4

5、.摻雜可以形成晶格缺陷，有利于形成更多的Ti3+氧化中心。1.摻雜可以形成捕獲中心，價(jià)態(tài)高于Ti4+的金屬離子捕獲電子，低于Ti4+的金屬離子捕獲空穴，抑制電子-空穴復(fù)合。2.摻雜可以形成摻雜能級(jí)，使能量較小的光子能激發(fā)摻雜能級(jí)上捕獲的電子和空穴，提高光子利用率。3.摻雜可以導(dǎo)致載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度增大，從而延長(zhǎng)了電子和空穴壽命，抑制復(fù)合。離子摻雜14;CdSTiO2復(fù)合當(dāng)不同半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶分別相連時(shí)，若窄禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)帶具有比TiO2更低的電勢(shì)時(shí)，則在可見(jiàn)光激發(fā)時(shí)，光生電子向能級(jí)更正的導(dǎo)帶遷移，而光生空穴遷向能級(jí)更負(fù)的價(jià)帶，從而實(shí)現(xiàn)光生電子和空穴的分離半導(dǎo)體復(fù)合的目的在于促進(jìn)體系光生空穴和電子

6、的分離，以抑制它們的復(fù)合，本質(zhì)上可以看成是一種顆粒對(duì)另一種顆粒的修飾，其修飾方法包括簡(jiǎn)單的組合，摻雜，多層結(jié)構(gòu)和異相組合，插層復(fù)合等半導(dǎo)體復(fù)合體系15; 半導(dǎo)體復(fù)合體系是將兩種不同能隙的半導(dǎo)體結(jié)合在一起，解決催化劑的可見(jiàn)光吸收系數(shù)小和電子-空穴復(fù)合問(wèn)題。 但符合能級(jí)要求的窄能隙體系很少且易光腐蝕，因此也限制了半導(dǎo)體復(fù)合體系的應(yīng)用。半導(dǎo)體復(fù)合體系的缺點(diǎn)16;Z-型制氫體系(模擬光合作用) 光合作用Z過(guò)程由兩個(gè)不同的光激發(fā)過(guò)程組成 反應(yīng)體系中的光分解水催化劑只需分別滿(mǎn)足各自的光激發(fā)過(guò)程，材料設(shè)計(jì)提供了很大的空間 Sayama等采用RuO2WO3為催化劑，F(xiàn)e3+/Fe2+為電子中繼體，可見(jiàn)光輻射(

7、460 nm), Fe3+被還原成Fe2+，紫外光( 280 nm)輻射，F(xiàn)e2+與H反應(yīng)生成H2，H2與O2比為2/1。 在該模擬光合作用的Z-過(guò)程中，電子中繼體可循環(huán)使用。17;Z-型制氫體系 利用了可見(jiàn)光； 克服了單一半導(dǎo)體的局限性； 理論效率47，實(shí)際光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到8。TiO2表面鍍WO3薄膜：WO3吸收藍(lán)光產(chǎn)生空穴，用于氧化水；DSSC- TiO2吸收透過(guò)的綠光和紅光，產(chǎn)生具有高活性的導(dǎo)電電子還原氫。18;Z 型反應(yīng)的缺點(diǎn)：首先,生成相同的量的氫氣所需的光子數(shù)是傳統(tǒng)光解水所需光子數(shù)的兩倍。其次，Z型反應(yīng)體系本身要比傳統(tǒng)光解水反應(yīng)體系要復(fù)雜,因此對(duì)溶液中失去活性的催化劑的再生過(guò)程比較困難，另外副反應(yīng)的可能性會(huì)增加。問(wèn)題與展望19;當(dāng)前光分解水絕大部