《新能源技术与材料》第25讲太阳能之光电催化.pptx

太阳能之光电催化;资源的不合理利用，

导致环境污染严重，

同时人口不断增加，

致使资源匮乏。;新能源的需求;太阳能的利用;;光电解水;;由于水对太阳光谱中能量最高的可见光部分的吸收非常少，直接的光照不能打破O-H键，从而实现水的分解，因此，光解水必须加以辅助。借鉴于光合作用，利用半导体材料的带隙实现光吸收和电荷分离过程，有助于实现光解水的过程。

;光电解水电极材料要求;常见的催化材料;TiO2：是最早被使用，也是最广泛被使用的电极材料，晶型有锐钛矿，板钛矿和金红石。锐钛矿型活性最高，几乎可以满足上述电极材料的要求，但是其带隙为3.0eV，只能吸收波长较短（413nm）的紫外光，而紫外光(300nm-400nm)仅占太阳能光谱的4%，对占光谱43%的可见光(400nm-800nm)的吸收明显不足，因此限制了其对太阳能利用效率的进一步提高。如何拓展TiO2的吸收光谱使其向可见光方向移动，是目前最具挑战的课题之一。;α-Fe2O3：是另一种广泛研究的光催化电极材料，由于其带隙仅为2.1eV，对光谱中光子的利用率可达到18%，因此其转换效率预测可以有12.7-16.8%,同时环境友好性和高稳定性。但是α-Fe2O3是间接带隙半导体，由于长的光穿透深度和低的吸收效率之间的差异使得可见光区光子的吸收受到限制，同时空穴的扩散长度非常短，仅为2-4nm，因此大部分还没有迁移到表面就发生复合，还有其表面的水氧化动力学过程很慢，存在大量复合，导电性差，导带的位置不合适，需要加很大的偏压。;此外，ZnO（3.2eV）,WO3(2.8eV)，CeO2(3.2eV)等光电催化电极材料也存在于TiO2类似的优势和问题，其体相材料的带隙和太阳能光谱间的关系可以明显说明这些半导体材料对光的吸收，尤其是对可见光的吸收略有不足，其对AM1.5光谱中光子的利用率分别只有2%,5%，2%.另外，ZnO，WO3，Cu2O,V2O5还存在比较严重的光腐蚀问题，电极的稳定性较低。;电极材料的优化;H-dopingTiO2;;Fe2O3/RGO/BiV1-xMoxO4;;SnS2ultrathinnanosheets;;Angew.Chem.Int.Ed.2012.51.1-6;ZnSeultrathinnanosheets;;随着科研工作者对光电极材料的不断改善及新材料的不断出现，太阳能光谱可以尽可能的被利用，光电转换效率得到大幅度提高，光电解水有望成为一种可靠便捷的方法得以获得新的能源（H2，O2）。因此，我们相信在不远的将来模拟光合作用将满足人类所需的能源需求。

;谢谢