太阳能变为燃料太阳能变为燃料.doc

《半导体光电子学》课程考试 题 目: 太阳能电池变为燃料 院 系(所)： 信息学院 电子系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 王瑞琦 学 号： 51111213019 二○一一 年 十二 月 太阳能电池变为燃料 王瑞琦 （华东师范大学 极化材料与器件教育部重点实验室 200241） 当今，太阳能的广泛利用有目共睹，但缺点更令人困扰，除了低转化效率，它还难以存储，并且受天气影响大，比如阴雨天时难以使用。细细揣摩，归根结底还是要解决太阳能的存储问题，以便在阴雨天时照样使用。 太阳能电池储存,缺点是成本高而且储存的能量有限。最好的电池每公斤储存300瓦时的能量每公斤汽油储存13000瓦时。在燃料中,氢气不仅仅有着比汽油更清洁的潜力而且按重量算它能储存更多的能量(大约为三倍)植物每时每刻都在利用太阳能它们俘获太阳能并通过光合作用把它转化为化学燃料。光合作用把水(H2O)和二氧化碳(CO2)转化为碳水化合物(CH2O)和氧气(O2)。实际的转化是由一些分立的反应所完成的，其中的个主要反应是把水分解为氢气和氧气(光解水)和用光解水过程中释放出来的电子还原CO2。 事实上，化学家们已经模拟了这些分立反应中的大多数基本上复制了光合作用。不过，化学家们还未能集成分立反应，而且也还没有能够实现大规模商业应用。对把太阳能转化为化学能的大多数讨论都围绕在目前进行的开发可承受的催化剂方面，这些催化剂驱动不同的光合作用反应。 开发制氢反应的催化剂 日本东京大学堂免一成(Kazunari Domen)博士以光催化全解水(photocatalytic overall water splitting)为题作报告，他叙述了目前他们开发的采用新型光解水技术的更有效、更可承受的制氢催化剂方面的研究工作。此技术采用了溶于溶液中的纳米结构光催化剂颗粒，在溶液中通过与这些颗粒的接触，发生催化反应，制氢和制氧。此方法区别于采用分立的涂敷催化剂的电极来制氢和氧的常用方法。光催化水的关键优点在于其使用的材料比光电化学(PEC)电池所要求的材料更便宜。因此，广泛、规模使用时更可以承受得起。 堂免一成首先介绍了种常用的光解水技术。第种涉及光伏(PV)电池和电解器，PV吸收阳光并把它转化为电，电解器用这些电来使水分解。他提到，本田公司已经使用这种技术多年，以开发“以太阳能电解水制氢站”的实验，在此站中，氢燃料开动的汽车可以被再次赋能。第种途径涉及使用光电化学(PEC)电池，这是一种包含有串联的PV电池和电解质的电池。通过把光的富集和水的分解过程结合到一个器件中而消除了对分立的电解池的需求。PEC电池提供了更直接、便宜的利用太阳能来驱动水分解反应的手段。 堂免一成说，化学家们已经构建了太阳能转换效率达到约5％的PEC电池与之相比，最好的光催化水系统的效率还仅约1~3％。预测，把它的平均太阳能转换效率提高到5％将需要再花费年的研究。关键的挑战之一是大部分光催化材料只有在用紫外光活化下才能工作，而对可见光则没有活性。他谈到了他以及其他研究小组在开发可见光下能有效工作的新材料方面的努力。 开发还原CO2的催化剂 日本冈崎分子科学研究所的田中耕司(Koji Tanaka)博士指出，构建人工树叶不仅需要开发制氢和氧的催化剂，而且需要开发CO2还原的催化剂。中国科学院李灿博士建议 CO2还原问题的解决比分解水问题的解决更为紧迫。藤田像制氢和制氧一样，化学家们还必须优化CO2还原反应的催化剂。过去的20年，日本东京工业大学石谷修(Osamu Ishitani)研究小组在进行CO2还原。最近，石谷修的团队开发出了一种新型的钌(Ru)-铼(Re)光催化剂，不过，挑战仍存在。例如，由于CO2分子极其稳定，而催化剂不够稳定，因此CO2还原要小时。李灿说，另一个问题是CO2还原的最终产物碳氢化合物常常迅速地被再氧化，使得碳氢化合物的净产率十分低。他强调说，需要努力，以避免这种情况。 CO2相结合的催化剂 堂免一成提到，人工光合成的最终目标是把光解水与CO2还原结合起来，用光解水过程中释放出来的电子来驱动CO2的还原以产生液体燃料，如甲醇。达到这一点将基本上实现创制人工树叶的梦想。所谓人工树叶是这样的一种器件：它模拟真正的树叶，不仅把水分解而且用水分解的产物来创制更有用的有机燃料。 日本东京都立大学井上春男博士解