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催化劑光解水原理-光解水制氫技術(shù)前沿及進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2022-10-31 瀏覽量：5255
光解水制氫原理
光解水又稱為光催化分解水，可理解為一種人工光合作用?？茖W(xué)原理是半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)——當(dāng)入射光的能量大于等于半導(dǎo)體的能帶（Band Gap）時(shí)，光能被吸收，價(jià)帶（VB）電子躍遷到導(dǎo)帶（CB），產(chǎn)生光生電子（e-）和空穴（h+）。電子和空穴遷移到材料表面，與水發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氧氣和氫氣。光分解水制氫主要包括3個(gè)過(guò)程，即光吸收、光生電荷遷移和表面氧化還原反應(yīng)。
光解水能否工業(yè)化取決于太陽(yáng)能到氫（solar-to-hydrogen, STH）能量轉(zhuǎn)換效率。光解水分為三種技術(shù)路線，一是光催化分解水，利用納米粒子懸浮體系制氫，該種方式成本較低、易于規(guī)模化放大，但STH效率偏低（約1%）。高效寬光譜響應(yīng)的光催化劑、高效電荷分離策略、新型高效助催化劑以及氣體分離新方法和新材料等是這一路線后續(xù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題；二是光電催化分解水，在一些典型的光陽(yáng)極半導(dǎo)體材料 (BiVO4和Ta3N5等) 體系上STH效率已超過(guò) 2.0%；三是光伏-光電耦合體系，在三種途徑里STH效率最高, 在多個(gè)實(shí)驗(yàn)體系上已超過(guò) 10% 以上。最新報(bào)道的利用多結(jié) GaInP/GaAs/Ge 電池與Ni電催化劑耦合, 其STH效率可達(dá)到 22.4%，已達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用要求。但光伏電池成本 (尤其是多結(jié) GaAs太陽(yáng)電池) 極大限制了其大面積規(guī)?；瘧?yīng)用, 因而也是當(dāng)前成本最高的技術(shù)路線（約300-400元/kg）。
