太阳能光解水制氢催化剂研究进展

2011年 第10期 广 东 化 工 第38卷 总第222期 http://www.77cn.com.cn · 67 ·

太阳能光解水制氢催化剂研究进展

(1．天水师范学院 生命科学与化学学院，甘肃省新型分子材料结构设计与功能重点实验室，甘肃 天水 741001；

2．西北师范大学 化学化工学院，甘肃 兰州 730070)

[摘 要]利用太阳能制氢是将太阳能转换成氢能的有效方式。近年来国内外发展了不同类型的太阳能光解水制氢催化剂：金属配合物、金属氧化物、无机层状化合物、Z型光催化制氢反应体系和光生物催化反应体系等，通过金属负载、离子掺杂、复合半导体、燃料光敏化、电子捕获剂、表面螯合及衍生作用、外场耦合等途径可以有效提高光催化剂活性，开发具有特殊结构的新型光催化剂、无贵金属负载催化剂以及循环使用牺牲剂将是未来太阳能光解水制氢的发展方向。

[关键词]太阳能；水分解；制氢；光催化剂

[中图分类号]TK91 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2011)10-0067-02

张建斌，查飞，左国防1，唐慧安1

1

2

Hydrogen Production from Water Decomposition with Solar Enegry

Zhang Jianbin, Zha Fei, Zuo Guofang1, Tang Huian1

(1. The College of Life Sciences & Chemistry, Tianshui Normal University, Key Laboratory for New Molecule Material Design and Function of Gansu Province, Tianshui 741001；2. The College of Chemistry & Chemical Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China)

1

2

Abstract: Hydrogen production from water decomposition on photocatalysts with solar energy is an efficient way to transform solar energy to hydrogen energy. Photocatalysts developed in recent years for water decomposition are metal complexes, metal oxide, inorganicla layered compounds, Z-type photocatalytic hydrogen production reaction system, photocatalytic biological reaction system. The following method can improve photocatalytic activities effectively: metal loading, ion doping, composite semiconductor, dye sensitization, electron trapers, surface chelation and derivatives and external field coupling. To discovery new photocatalysts with peculiar construction and without precious metal loading and to recycle sacrificial agent will be the future direction of development.

Keywords: solar energy；water decomposition；hydrogen production；photocatalysts

随着人类化石燃料资源的日益枯竭，人们在考虑利用风能、地热能、潮汐能等单一型的新能源，但是这些资源严重分布不均，大范围内利用存在障碍，人们尝试联合两种或两种以上的新能源，将太阳能与氢能联合利用成为目前研究的主要方向。然而，氢能只是一种二次能源，以氢能全面替代化石燃料在技术上尚不成熟。首先，目前利用氢能主要是通过燃料电池作为转化装置，氢燃料电池成本过高，而且氢的存储和运输非常困难。其次，目前主要是通过电解水或者利用天然气获得氢，这同样需要消耗大量能源[1]。

1 太阳能光解水制氢的方法及原理

目前，借助光电过程利用太阳能光解水的途径主要有光电化学法、均相光助络合法和半导体光催化法。其中光电化学法通过光阳极吸收太阳能将光能转化为电能。光阳极通常采用半导体材料，受光激发产生电子-空穴对，阳极和阴极组成光化学电池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体上产生电子，通过外电路流向阴极，水中的质子从阴极上接受电子产生氢气。光解水效率与以下因素有关：(1)受光激励产生的自由电子-空穴对的数量；(2)自由电子-空穴对的分离、存活寿命；(3)再结合及逆反应抑制等。由于以上原因，构筑有效的光催化材料成为光解水研究的关键[2]。

2 太阳能光解水制氢的催化材料

在各种光催化剂中，TiO2由于其良好的化学稳定性，抗磨损性，低成本和无毒等特点，成为半导体光催化领域的主要研究对象之一。但是常规制备的TiO2存在着晶粒尺寸大，比表面积小以及低分散性等缺点，而且TiO2光催化剂中的大部分仅能吸收只占太阳光总能3 %~5 %的紫外线。另外，目前能够在可见光区使用的光催化剂几乎都存在光腐蚀，必须采用牺牲剂进行抑制。因此，研究和制备对可见光高效吸收和转化的光解水催化剂成为太阳能半导体光解水制氢技术发展的关键因素。目前，对可见光半导体催化材料的研究主要集中在两个方面：一是对已发展的光催化材料，利用负载、掺杂等手段进行修饰使吸收带红移至可见光区；二是设计新型的可见光响应半导体光催化材料。 2.1 联吡啶金属配合物

1977年Lehn报道了Ru(bpy)32+-TEOA-Rh(bpy)33+-Pt催化体系光解水，开始了配合物光解水的研究。催化光解水制氢研究最多的有

机金属配合物是双联吡啶钌Ru(bpy)33+和Ru(bpy)32+的体系。当受光照时，Ru(bpy)32+吸光将H+还原生成H2，而自身被氧化生成Ru(bpy)33+，Ru(bpy)33+则将OH-氧化为O2。这类催化剂表现出较强的可见光吸收，氧化还原可逆，氧化态稳定性高，是性能优越的光敏化染料。James等研究了以联吡啶及多吡啶作为配体的过渡金属配合物的感光特性和对光的稳定性，发现五氨基异烟酸钌(II)(Ru(ina)(NH3)52+)和四氨基-4,4′-二羧基联吡啶钌(II)(Ru-(dcbH2)(NH3)42+)表现出良好的光稳定性能和 …… 此处隐藏：6241字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……