太阳燃料：新一代绿色能源
发布时间：2021-06-20 20:58
综述了燃料发展的历史、太阳燃料的发展起源及光解水制氢、CO2光还原制化学品的科学研究总体进展情况与发展趋势,并结合我国人工合成太阳燃料科学研究概况,提出了发展新型高效光催化材料的合成方法学等发展建议。
【文章来源】：科技导报. 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
光合固碳过程
光解水具有里程碑意义的报道来自于日本科学家Fujishima和Honda于1972年在《Nature》上光助电解水的报道，该研究开创了利用太阳能光催化分解水制氢研究的先河[9]。彼时正逢全球石油危机，这一报道无疑引起了正在寻找石油替代能源的人们非常大的科学研究兴趣。其光解水反应在包含氧化钛光电极和铂对电极以及电解液的光电解池中进行（图2[9]），基本原理和过程为：当氧化钛单晶受光激发后产生电子和空穴对（e--h+），随后在氧化钛电极表面空穴氧化水生成O2和质子（2H2O→O2+4H+），电子通过外电路转移到铂电极表面进行质子还原放氢过程（2H+→H2），因此总反应就是水在光子的照射下发生了分解，释放O2和H2(2H2O→O2+2H2）。这一发现也进一步展示在紫外激发的半导体（单晶Ti O2）光电极/电解液界面发生了电子转移过程。以上光解水又常常被称为Fujishima-Honda效应。由于这一方法有望在温和条件下，利用丰富的太阳能实现水的分解以提供洁净氢能，引起光化学家和光电化学家的广泛兴趣。
该技术无需借助昂贵的设备和仪器，技术成本主要来源于催化剂及其制备过程，然而由于获得的是H2和O2的混合气体，如要获取纯净H2，则需进行气体分离，这会带来另外的成本核算。此外，由于产生具有高度爆炸危险的混合氢氧气体，因此该技术的缺陷也是显而易见的，需要采取有效办法消除生产过程的安全隐患。就半导体基光催化分解水制氢而言，1972年，Ti O2光电极在紫外光照下光催化分解水的量子效率仅为0.1%左右，经过不断地研究探索，2003年报道的紫外光激发下La掺杂Na Ta O3光催化剂分解水的量子效率达到56%[15]。2008年，东京大学Domen报道的单一光催化剂体系Rh2-xCrx O3/Ga N:Zn O可见光分解水制氢量子效率最高纪录已提高至5.9%[16]，通过Z-Scheme双光催化剂体系（Pt-Zr O2/Ta ON,Pt/WO3）的可见光分解水制氢量子效率达到了6.3%[17]，中国科学院大连化学物理研究所李灿等通过构建Mg Ta2O6-xNy和Ta ON之间的异质结结构，大幅度提升了二者之间的电荷传递效率，以该催化剂作为产氢光催化剂，与产氧光催化剂WO3耦合，其Z机制分解水的效率得到了有效促进，可见光下分解水的表观量子效率提升至6.8%，为目前文献报道的Z机制分解水体系的最高效率[18]，但该效率离实际应用所要求的太阳光能量转化效率超过10%的目标仍有一定差距。此外，该团队还提出具有原创性的“相结”“双助催化剂”等概念构建了一系列高效的光催化剂，例如以双助催化剂理论构建的三元光催化剂（吸光材料、氧化助催化剂和还原助催化剂）Pt/Pd S/Cd S在以硫化物为牺牲试剂的体系里，创造了高达93%的最高产氢量子效率[19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能光催化制氢研究进展[J]. 温福宇,杨金辉,宗旭,马艺,徐倩,马保军,李灿. 化学进展. 2009(11)
本文编号：3239921
【文章来源】：科技导报. 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
光合固碳过程
光解水具有里程碑意义的报道来自于日本科学家Fujishima和Honda于1972年在《Nature》上光助电解水的报道，该研究开创了利用太阳能光催化分解水制氢研究的先河[9]。彼时正逢全球石油危机，这一报道无疑引起了正在寻找石油替代能源的人们非常大的科学研究兴趣。其光解水反应在包含氧化钛光电极和铂对电极以及电解液的光电解池中进行（图2[9]），基本原理和过程为：当氧化钛单晶受光激发后产生电子和空穴对（e--h+），随后在氧化钛电极表面空穴氧化水生成O2和质子（2H2O→O2+4H+），电子通过外电路转移到铂电极表面进行质子还原放氢过程（2H+→H2），因此总反应就是水在光子的照射下发生了分解，释放O2和H2(2H2O→O2+2H2）。这一发现也进一步展示在紫外激发的半导体（单晶Ti O2）光电极/电解液界面发生了电子转移过程。以上光解水又常常被称为Fujishima-Honda效应。由于这一方法有望在温和条件下，利用丰富的太阳能实现水的分解以提供洁净氢能，引起光化学家和光电化学家的广泛兴趣。
该技术无需借助昂贵的设备和仪器，技术成本主要来源于催化剂及其制备过程，然而由于获得的是H2和O2的混合气体，如要获取纯净H2，则需进行气体分离，这会带来另外的成本核算。此外，由于产生具有高度爆炸危险的混合氢氧气体，因此该技术的缺陷也是显而易见的，需要采取有效办法消除生产过程的安全隐患。就半导体基光催化分解水制氢而言，1972年，Ti O2光电极在紫外光照下光催化分解水的量子效率仅为0.1%左右，经过不断地研究探索，2003年报道的紫外光激发下La掺杂Na Ta O3光催化剂分解水的量子效率达到56%[15]。2008年，东京大学Domen报道的单一光催化剂体系Rh2-xCrx O3/Ga N:Zn O可见光分解水制氢量子效率最高纪录已提高至5.9%[16]，通过Z-Scheme双光催化剂体系（Pt-Zr O2/Ta ON,Pt/WO3）的可见光分解水制氢量子效率达到了6.3%[17]，中国科学院大连化学物理研究所李灿等通过构建Mg Ta2O6-xNy和Ta ON之间的异质结结构，大幅度提升了二者之间的电荷传递效率，以该催化剂作为产氢光催化剂，与产氧光催化剂WO3耦合，其Z机制分解水的效率得到了有效促进，可见光下分解水的表观量子效率提升至6.8%，为目前文献报道的Z机制分解水体系的最高效率[18]，但该效率离实际应用所要求的太阳光能量转化效率超过10%的目标仍有一定差距。此外，该团队还提出具有原创性的“相结”“双助催化剂”等概念构建了一系列高效的光催化剂，例如以双助催化剂理论构建的三元光催化剂（吸光材料、氧化助催化剂和还原助催化剂）Pt/Pd S/Cd S在以硫化物为牺牲试剂的体系里，创造了高达93%的最高产氢量子效率[19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能光催化制氢研究进展[J]. 温福宇,杨金辉,宗旭,马艺,徐倩,马保军,李灿. 化学进展. 2009(11)
本文编号：3239921
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