光解水太阳模拟器的原理

　　随着人类社会的不断发展，地球上有限的化石燃料已经越来越难以满足人类对能源的需求，并且化石燃料的使用也带来了日益严重的环境问题。因此，寻找清洁、可再生的新能源已经迫在眉睫。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，将间歇性的、不易收集存储的太阳能转化为易存储、易运输的化学能是一种理想的能源开发途径——太阳能光催化分解水制氢正是这样一种将太阳能转化为化学能的良好方式。

　　太阳能光催化分解水制氢利用光催化材料（一般为半导体材料）在太阳光光子的激发下将水分解为氢气和氧气，整个过程清洁无污染，因此受到了广泛的关注和研究。然而，传统的半导体光催化材料面临可见光吸收少、光生电荷易复合等问题，太阳能转化效率普遍不高。我校化学科学与工程学院徐晓翔教授课题组于可见光响应的光催化材料的研究，针对这一问题开展了系统的研究工作，提高了半导体材料光催化分解水的活性，对提升太阳能转化率有重要意义。

　　光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学FujishimaA和HondaK两位教授*次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化(heterogeneousphotocatalysis)的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢（简称光解水）的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。

　　光解水的原理

　　光催化反应可以分为两类“降低能垒"(downhil1)和“升高能垒"(uphil1)反应。光催化氧化降解有机物属于降低能垒反应，此类反应的△G<0，反应过程不可逆，这类反应中在光催化剂的作用下引发生成O2-、HO2、OH·、和H+等活性基团。水分解生成H2和O2则是高能垒反应，该类反应的△G>0(△G=237kJ/mo1)，此类反应将光能转化为化学能。

　　要使水分解释放出氢气，热力学要求作为光催化材料的半导体材料的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负，而价带电位则应比氧电极电位Eo2/H2O稍正。光解水的原理为：光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体的不同位置将水还原成氢气或者将水氧化成氧气。Khan等提出了作为光催化分解水制氢材料需要满足：高稳定性，不产生光腐蚀；价格便宜；能够满足分解水的热力学要求；能够吸收太阳光。

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