太阳能光催化制氢.ppt

太阳能光催化制氢研究进展 摘自-----中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室 1 引言 过去20年，全世界能源消耗增长了50% 以目前的消耗速度，储量丰富的煤炭资源将在未来200年内消耗殆尽 化石原料燃烧所释放的CO2、SO2等有害气体带来“温室效应”、酸雨等诸多环境问题 1 引言 太阳能制氢的可能途径 太阳能发电与电解水制氢 太阳能高温集热分解水 重整生物制氢 光生物制氢 光催化制氢 半导体光催化制氢原理 本征吸收：半导体吸收能量等于或大于禁带宽度( Eg ) 的光子,将发生电子由价带向导带的跃迁 本征吸收在价带生成空穴hVB+，在导带生成电子eCB-，这种光生电子-空穴对具有很强的还原氧化活性 2 典型的光催化制氢催化剂 2.1紫外光响应光催化剂 2.2可见光响应光催化剂 2.3异相结和异质结光催化剂 2.4助催化剂 2.1 紫外光响应光催化剂 ﹡研究发现处于亚稳态晶型的锐钛矿往往显示出 很优越的光催化性能 ﹡澳大利亚ARC纳米功能材料研究中心研究结果表明，通过F离子表面作用，TiO2活性面（001）晶面可更多的暴露，从而获得更高的光催化活性 2.1 紫外光响应光催化剂 2.1 紫外光响应光催化剂 2.2 可见光响应光催化剂 2.2 可见光响应光催化剂 阳离子掺杂光催化剂 阴离子掺杂光催化剂 固溶体光催化剂 硫化物和磷化物光催化剂 半导体复合型光催化剂 2.3 异相结和异质结光催化剂 当不同的半导体紧密接触时,会形成“结”,在结 的两侧由于其能带等性质的不同会形成空间电势差。这种空间电势差的存在有利于电子------空穴分离,可提高光催化的效率 2.4 助催化剂 常见的助催化剂有： 贵金属如Pt 、Pd、Ru、Rh、Au、Ir 等; 氧化物如RuO2 、NiO、RhxCr1-xO3; 硫化物如MoS2 、WS2、PdS 等; 复合型的如NiPNiO 和RhPCr2O3 3 光催化制氢体系 光催化分解纯水制氢 光催化分解H2S等污染物制氢 光催化重整生物制氢 3.1光催化分解纯水制氢 2003 年由日本Kudo 研究组合成的掺La 的NaTaO3光催化剂是目前在紫外区具有最高分解纯水活性的光催化剂 该光催化剂在NiO作为助剂时,分解纯水的量子产率达到56 % 3.2光催化分解H2S等污染物制氢 3.3光催化重整生物制氢 4 光催化制氢的超快光谱研究 用超快光谱的手段研究光催化剂可以获得半导体体内光生电子、空穴复合,表面缺陷态,表面或者近表面光生载流子的捕获、转移、分离过程及其对光催化活性影响的重要微观信息 5 太阳能光催化制氢展望 今后光催化制氢可从以下几方面进行深入系统的研究： （1）加强基础领域的研究，尤其强化光生载流子分离、传输及反应等微观过程的机理研究，为催化剂的设计提供理论指导 （2）加强学科间交叉融合，从不同领域汲取营养,如借鉴生物光合过程、光伏电池p-n结及光电催化原理等，扩展光催化剂设计思路 （3）借助于材料科学发展的新方法和新思路,制备高效、稳定、具有可见光响应的新型光催化剂 （4）设计新型的光催化反应系统，为光催化的工业应用打下基础 * * 沈杏 201101051312 氢是一种具有高燃烧值、高效率和清洁的能源 太阳能有取之不竭、洁净无污染、可再生等优点 以水、生物质等可再生物资为原料，利用太阳能制氢则是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径 其中利用太阳能光催化分解水制氢 被称为“21 世纪梦的技术” 半导体没有连续的能级促进电子和空穴的复合，使得电子—空穴对有足够的时间参与界面电子转移 导带（CB）：由一系列彼此分散但能量相近的能级构成，能级与大分子晶体的导电性有关 价带（VB）：由一系列彼此靠得很近的能级构成，能级大小与组成晶体的原子之间存在的共价键有关 带隙 张金龙.陈锋.何斌.光催化.[M].上海。华东理工大学出版社:2004.7 温福宇.杨金辉.宗旭.太阳能光催化制氢研究进展.[J].化学进展，2009.11(21):2285——2302 2.1.1紫外光响应的TiO2 锐钛矿 金红石 四方晶系 板钛矿 斜方晶系 2.1.2其他紫外光响应的光催化剂 ﹡以钙钛矿型的SrTiO3为代表的钛酸盐系列 ﹡具有共角的TaO6八面体结构的碱金属和碱土金属钽酸盐系列-----Kudo 等首先发现 其中, 2wt% NiO担载的NaTaO3 : La (2%) 其紫外光分解纯水的表观量子效率可达到56%是迄今为止在紫外光下分解纯水效率最高的光催化剂 2.1.3具有d10电子结构的光催化剂 ﹡铟酸盐InO2 ﹡锡酸盐SnO44- ﹡锑酸盐SbO3- ﹡锗酸盐GeO44- ﹡镓酸盐Ga2O42-