太阳能光电化学制氢综述.doc

太阳能光电化学制氢综述+ 黄疆良郭烈锦 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安，710049) 文 摘：本文从光电化学电池制氢的原理出发，对当前周内外光电化学制氢方面的研 究进行了简要的评述，指出了光电化学制氢研究中存在的问题和进一步努力的方向． 关键词：太阳能，制氢，光电化学，半导体，光激活． 0引言 据估计，全球50亿人口消费的商品能源约为1000万兆瓦．其中80*,4来自三大化石燃 料，煤炭，石油和天然气川．随着人口和经济的迅速增长，未来三、四十年。世界能源的消 费将会成倍的增长．这就必然会进一步加快石油资源的枯竭。因此寻找一种可替代的能源， 已成为人类未来发展的急迫任务． 太阳能、风能、地热能、生物质能等新能源在全世界逐步得到推广应用．发达国家这类 新能源消费已经约占整个能源总量的10一20％，井且随着的技术进步其成本也在不断降低． 有接近常规能源的趋势，这对保护环境、减小温室效应等具有重大意义口J．太阳能是一种可 再生的清洁能源，太阳能的总量很大，我国陆地表面积每年接收的太阳能就相当于1700亿 吨标准煤pJ．但它不能直接储存，也难以连续供应。为了有效的利用太阳能，必须解决其储 存、有效输运及高散利用等问题，氢正是解决这个问题的有效载能体．利用太阳能光电化学 制氢，必水为原料、氢气作为载能体。大规模地收集利用太阳能．既能满足人类的能源需求、 又不污染环境．地球上存在大量的水，生成的氢气燃烧后又形成水．可以循环使用．这是人 类长远利用太阳能的一条可行的替代能源开发方案． 1基本原理 所谓光电化学电池(PEC)，即通过光阳极吸收太阳能，并将光能转化为电能。光阳极 通常为半导体材料．受光激发可以产生电子一空穴对，光阳极和对极(阴极)组成光电化学 电池，在电解质存在下，光阳极吸光后在半导体导带上产生的电子通过外电路流向对极．水 中的质子从对极上接受电子产生氢气． hel如lt搌 图1半导体与电解质涪藏的界面龟势 ‘本文受973璃目G2000026402、NSF项目5∞76035和田豪杰出青年科掌基盒项助 22S  图l给出了半导体，溶液界面的一般性质和界面附近的电势情况。当半导体插入含有 氧化还原对(o／r)电解液后，表面层中的能带将发生弯曲。在溶液一侧有HeImho№(双电 层)．在半导体内有空间电荷层。空间电荷层可以有几个微米厚．Helmholtz层只有约4a0厚． 以N型半导体为例．通过参比电极铡得的电位为：“一_t位1=k+‰+珥 其中k是空间电荷层的电势，砘是双电子层的电势，llr是参比电极及其它各项的电势。 能带弯曲是指半导体界面处的电子与半导体内部的电子电位差。对P型半导体来说，费 米能级的电势为：EF=EvrRTInNffNvB，对n型半导体来说，费米能级的电势为： E产EcB+R1hNo，Ncb．R是Boltzman常数，T是绝对温度．．No是半导体内载流于密度．Nvb 是价带里的态密度，Ecb是导带电势。N女是在导带里的态密度(态密度是指振动状态构型的 平均密度)． 半导体材料通常可以强烈地吸收光辐射能，具有数量级为105／cm的吸收系数，可以发 生多种方式的吸收，其中最重要的是电子在带与带之间跃迁引起本征吸收，能量大于半导体 禁带宽度韵光量子被半导体的价带电子吸收，价带电子吸收光子后跃迂到导带，同时在价带 留下空穴，形成电子空穴对． 如要实现半导体的光电化学分解水，半导体的价带、导带的氧化还原电势以及带隙的宽 度需满足一定的条件，导带的电子应能使质子还原成氢，价带的空穴能使水氧化．半导体的 带隙宽度必须太于2A6ev，才能将水直接分解成氧气和氢气．满足这个条件的半导体有TiOz, 和SrT{03等[41． P-丽 釜 景曩置 hdo “ 怯} ● -L．一． 一．■ 图2，光照后半导体费米能级的变化 光照下在半导体界面产生的电子和空穴会改变半导体在暗处时的电势，对P型半导体来 说，光照后，费米尔能级下降，如图2(a)所示。对于n型半导体来说-费米尔能级上升- 如图2(b)所示。从图2(a，b)可见．光引起电势为“p型)．v’(n型)．当光照产生光电势 时，如果在外电路加一个负载rl就会有电流通过，这就是光电化学电池。带有光阳极或光 阴极的电池在不存在氧化还原对时，质子能在光阴极上还原成氢气，Oil离子能在光阳极上 氧化生成氧气峨。 2前人研究工作评述 2．1概述 1971年Fujishima和Honda问用Ti02电极光助电解水获得了氢气，开始了具有实际意 义的光电化学电池的研究。在70年代束期，已有转换效率达到6．1％的多晶液体结光电化学 电池的报道．进入80年代，在文献【刀中提到Heller和意丈利Razzini等人所制作的光电化学 电池转换效率已达到12％．s0年