【摘 要】本文綜述了光催化分解水制氫的基本原理、光催化分解水制氫研究所面臨的問題、新型光催化水處理反應器、光催化分解水制氫的應用，并對光催化水制氫的未來發(fā)展進行展望

【關鍵詞】光催化;制氫

Abstract：The prospects for the development of highly efficient photocatalysts for H2 production is also discussed.

Key words：photocatalytic;hydrogen production

1前言

把太陽能轉化為氫能，發(fā)展高效、低成本的太陽能規(guī)模化制氫技術具有重大的社會、經濟效益[1，2]。20世紀70年代初，日本東京大學Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)利用二氧化鈦（TiO2）半導體單晶電極可發(fā)生光催化使水分解成氫和氧。從能源和環(huán)境的角度來說，太陽能光催化制氫也可能是最終的解決辦法利用光催化分解水反應將太陽能轉化為氫能成為了太陽能利用最有效、可靠的途徑之一[3]

2光催化分解水制氫的基本原理

水轉化成氫氣和氧氣，是一個能量增大的非自發(fā)反應由于受熱力學條件限制采用熱催化方法較難實現(xiàn)，如果進行熱水分解，需要高溫高壓根據(jù)理論計算，在水溶液電解池中將一個水分子電解為氫和氧只需要1.23V的電壓。綠色植物的光合作用就是通過葉綠素吸收太陽光，然后借助電子轉移過程再把光能轉化為電能將水分解的。

從熱力學角度講，水的分解過程是爬坡反應，屬于非自發(fā)過程，需要外部能量來驅動進行，反應所需吉布斯自由能為237kJmol-1。在光催化分解水反應過程中，半導體首先吸收能量大于其帶隙（Eg）的光子，使光生電子（e-）由半導體的價帶（VB）躍遷至其導帶（CB），與此同時，在價帶上產生了光空穴（h+），進而完成光生電子和空穴的分離。最后光生電子轉移至析氫共催化劑表面進行光催化析氫反應，光生空穴轉移至析氧共催化劑表面進行光催化析氧反應按照反應熱力學要求，半導體的導帶底電位應比H+/H2（0VvsRHE）電位更負，而價帶頂電位比O2/H2O（1.23VvsRHE）電位更正。因而，理論上驅動整個光催化分解水反應所需的最小光子能量為1.23eV。若將析氫和析氧反應的過電勢考慮在內，光子能量至少要達到1.6eV以上。因此，在半導體基光催化材料研究領域中重點關注的內容是其能帶位置。

3光催化分解水制氫研究所面臨的問題

由于H2O被氧化成O2的過程是4電子反應，同時需要至少兩個H2O吸附于光催化劑表面。在無共催化劑存在的情況下會嚴重阻礙該反應的進行，因而導致電荷積累。最終H2O會通過單電子或雙電子過程被光催化氧化成OH或H2O2而不產生H2。

除上述可能發(fā)生的副反應之外，光催化分解水的逆反應也同樣加以有效抑制。許多光催化反應的金屬基析氫共催化劑，由于金屬與氫的相互作用可能涉及到O，因而可能會通過熱催化或電催化的方式發(fā)生氧還原反應，這種逆反應的發(fā)生也會對光催化分解水制氫反應產生不利影響。

4新型光催化水處理反應器

4.1懸浮式光催化反應器

Puma[24]等設計的噴泉式反應器，利用特殊的噴頭噴出薄膜狀的水流，光源則在薄膜的上方對其進行照射，此反應器具有很高的光催化效率和傳質速率，且不存在膜“中毒”的問題，適合在水處理凈化領域大規(guī)模的工業(yè)化應用。

4.2固定式光催化反應器

固定式光催化反應器一般將催化劑涂覆或嵌入固定的載體上，當待處理液在其表面流動時對污染物產生降解。此類光催化反應器適合放大進行工業(yè)應用，但是其傳質效率依然比較低。

5光催化分解水制氫的應用

5.1 TiO2光催化材料在飲用水深度處理中的應用

TiO2光催化材料能有效降解飲用水中的微量有機污染物、去除無機污染物、殺滅微生物等，在飲用水的深度處理領域有著廣闊的應用前景。

5.2 α-Fe2O3光電催化分解水

通過改變α-Fe2O3的形貌、對α-Fe2O3進行摻雜、與其他材料的復合、引入氧空位可以從提高載流子濃度，可以縮短載流子的遷移路程，促進光生載流子的遷移，減少載流子的復合。

5.3紅磷單質光催化劑分解水制氫

2019年，Zhu等[32]利用CVD法，成功將Hittorfs紅磷負載在g-C3N4上（PCN）.在可見光照射下，該復合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化活性

6總結與展望

目前，光催化分解水的諸多問題還不明晰，加強基礎理論研究將促進這一領域的發(fā)展。探索新的研究手段和方法，構建新型、連續(xù)、穩(wěn)定、高效的分解水制氫反應體系，促進太陽能規(guī)模制氫技術的發(fā)展等，為開發(fā)具有可見光響應的高效光催化劑提供依據(jù)，將是今后重要的工作。

參考文獻：

[1]毛宗強（Mao Z Q）.氫能（Hydrogen Energy）.北京：化學工業(yè)出版社（Beijing：Chemical Industry Press），2005.1—18

[2]郭烈錦（Guo LJ），劉濤（Liu T），紀軍（Ji J），趙亮（Zhao L），郝小紅（Hao X H），延衛(wèi)（Yan W）.科技導報（Science&Technolog Review），2005，（2）：29—33

[3]Hisatomi T，Domen K. Reaction systems for solar hydrogen production via water splitting with particulate semiconductor photocatalysts [J].Nat. Catal.，2019，2：387-399.

作者簡介：

孟雪婷（1999.11.25），女，漢族，遼寧阜新人，廣西大學化學化工學院，18級在讀本科生，本科學位，專業(yè)：化學工程與工藝，研究方向：化學工程與工藝。

（作者單位：廣西大學化學化工學院）