光解水制氢

氧化钨图片

氢气被认为是一种理想的能源,但是,如果用加热或电分解的方法把氢气提取出来,其过程消耗的能量比氢能本身产生的能量还要多,成本非常高,这就得不偿失了。因此,使用方便又廉价的方法制备氢能,成为科研工作者梦寐以求的愿望。使用太阳能光电化学或者光催化分解水制氢是最具吸引力的可再生能源制氢途径,而利用半导体氧化物作为光催化剂直接使用太阳光分解水产生氢气,被成为“21世纪梦的技术”。

光解水制氢技术始自1972年,由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现二氧化钛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(Heterogeneous Photocatalysis)的演变和二氧化钛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。

1976年,Hodes首次将WO3应用于光解水制氢体系中,之后,人们便对WO3光解水体系展开了广泛的研究。随着制备技术的不断提升和对WO3的不断深入研究,人们发现纳米结构的WO3具有更佳的光催化能力,也因此进行了大量的研究。Cristino等利用阳极氧化金属W片制备出了WO3光阳极,其表现出的光电化学性能,优良的电荷传输动力学特性,具有较高的产氢率。

纳米半导体材料引起了广泛的关注,其主要原因可能是:

1. 纳米半导体采用与块状材料相比具有更高的比表面积,可以有效提高转换率;

2. 纳米半导体材料能量转换高,应用潜力巨大。

基于纳米半导体材料的阳极材料体系很多,例如硫化镉(CdS)、氧化钨(WO3)、氧化铁(Fe2O3)等等。

三氧化钨的禁带宽度较低,表现出良好的可见光响应,能利用更多的太阳光,具有优良的抗光腐蚀性和光生电子传输性能;然而,由于三氧化钨导带底的电极电势为+0.4V,正于水分解还原半反应H2/H2O的电极电势,在热力学上不能用于光解水制氢,可用于光解水制氧。科学表明,施加偏压有助于光生电子注入到水分子中,故通常在WO3光解水体系中施加适当的偏压来进行光解水制氢。

杜俊平等采用固相烧结法制备了掺杂不同量铈(Ce)的WO3催化材料,实验结果表明,Ce掺杂可以使三氧化钨的光谱响应范围向可见光区拓展;另外,铈没有引发新的荧光现象,适当铈的掺杂能够增强三氧化钨光催化剂的荧光强度。Ce的微量掺杂通过增加氧缺位的量进而诱使Ce/ WO3光催化剂产生更多的•OH和•O2,从而大大提升光催化活性。

WO3光催化剂的禁带宽度相对于二氧化钛较低,并且具有良好的可见光响应,能够利用更多的太阳能;此外,在实际光催化分解水反应体系中,WO3在长时间光照下能够保持优良的抗光腐蚀性和光生电子传输性能。因此,WO3被认为是一种理想的光解水催化剂,在太阳能光解水制氢领域中有重要的应用前景。

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