光电化学分解法制氢的方法
α-Fe2O3光电催化分解水制备氢气研究进展
2017年第36卷第2期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·397·化工进展α-Fe2O3光电催化分解水制备氢气研究进展王开放，刘光，高旭升，贺冬莹，李晋平（太原理工大学精细化工研究所，山西太原 030024）摘要：光电化学池可以将太阳能以氢气的形式储存起来，其中稳定、廉价的催化剂是关键。
α-Fe2O3具有合适的禁带宽度，较高的理论光-电转化效率，光稳定性好，在地壳中的储量丰富，被认为是最具有发展前景的光电催化材料之一；但是它的导电性差、光生电荷寿命短、氧化反应过电位高，严重阻碍了其发展。
本文首先介绍了光电催化理论，然后重点综述了近些年α-Fe2O3纳米结构的制备技术，以及针对其不足所采用的改性方法，包括通过元素掺杂来增强α-Fe2O3的导电性，表面处理来降低氧化反应过电势或陷阱浓度，与其他材料复合来增加光生电压或催化剂表面积，最后对α-Fe2O3作为光阳极催化剂分解水制氢未来的发展前景作出展望，指出多种手段的有效结合是提高其光电流密度的重要途径。
关键词：赤铁矿；太阳能；光电催化；水解；氢气中图分类号：O614.81；O644.16；TQ116.2 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）02–0397–13 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.001Hematite photoanodes for solar water splittingWANG Kaifang，LIU Guang，GAO Xusheng，HE dongying，LI Jinping （Research Institute of Fine Chemicals，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）Abstract：Photoelectrochemical cell is able to turn sunlight into stored energy conveniently in the form of hydrogen，and the stable and low-cost photoanode catalyst is crucial in this device. Hematite is considered as one of the most promising photoanode catalysts due to its suitable band gap，high theoretical solar to hydrogen efficiency，chemical stability under illumination and rich storage in earth.However，the poor conductivity，short photo-generated charge carrier lifetime and high turn-on voltage have limited the performance improvement of hematite severely. This review introduces the basic mechanism of photoelectrocatalysis and energy band excitation，then it summarizes the synthesis of nanostructure α-Fe2O3 and the improvements on the photoelectrocatalysis property of hematite in recent years，including conductivity enhancement by element doping，oxygen evolution overpotential or trap concentration reduction by surface treatment，and photo-induced voltage or specific area increase by coupling with other materials. The future developing perspectives of hematite are also presented，and multi-modified technologies are considered as important ways to improve the photocurrent density.Key words：hematite；solar energy；photoelectrocatalysis；hydrolysis；hydrogen随着全球经济的不断发展，人类对能源的需求量持续扩大，全球能源的消耗仍然是以化石能源为主，但是化石燃料储量有限、生成周期长，难以满足持续大量的需求，而且常规能源的广泛应用所引起的环境问题日益凸显。
各种制氢方法
各种制氢方法氢能是一种二次能源，在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的存在极少。
因此必需将含氢物质力UI后方能得到氢气。
最丰富的含氢物质是水（H2O），其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。
因此要开发利用这种理想的清洁能源，必需首先开发氢源，即研究开发各种制氢的方法。
从长远看以水为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能量后又生成产物水，不造成环境污染。
各种矿物燃料制氢是目前制氢的最主要方法，但其储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。
其它各类含氢物质转化制氢的方法目前尚处次要地位，有的正在研究开发，但随着氢能应用范围的扩大，对氢源要求不断增加，也不失为一种提供氢源的方法。
1.电解水制氢水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。
水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解。
提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75～85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。
目前水电解的工艺、设备均在不断的改进：对电解反应器电极材料的改进，以往电解质一般采用强碱性电解液，近年开发采用固体高分子离子交换膜为电解质，且此种隔膜又起到电解池阴阳极的隔膜作用；在电解工艺上采用高温高压参数以利反应进行等。
但水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为4．5～5． 5kWh左右。
电能可由各种一次能源提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳能、水能、风能及海洋能等等，核能、水能和海洋能其资源丰富，能长期利用。
我国水力资源丰富，利用水力发电，电解水制氢有其发展前景。
太阳能取之不尽，其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统，国外已进行实验性研究。
随着太阳电池转换能量效率的提高、成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。
同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电解制得氢气并用氢作为中间载能体来调节、贮存转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。
光电催化制氢研究进展
光电催化制氢研究进展近年来，随着能源问题的日益突出和可再生能源的迅速发展，光电催化制氢技术备受研究者的关注。
光电催化制氢是一种基于太阳能和光电催化材料将水分解成氢气和氧气的技术，具有绿色环保、高效能的特点。
本文将介绍光电催化制氢研究的最新进展。
首先，光电催化制氢的关键是光电催化材料的设计与合成。
传统的光电催化材料一般是由半导体材料和催化剂组成，如二氧化钛/铂(TiO2/Pt)、钙钛矿材料等。
近年来，研究者们对光电催化材料的结构和性能进行了深入的研究，发现不同结构和形貌的材料会影响光电转化效率。
例如，金属-有机骨架材料(MOFs)和碳基催化材料在光电催化制氢中表现出了潜在的应用前景。
研究者们通过改变材料的结构和改进催化剂的活性，提高了光电催化制氢的效率。
其次，光电催化制氢的机理研究也是当前的热点。
光电催化制氢的关键步骤包括光吸收、电子传输和催化反应。
通过实验和理论计算，研究者们发现，材料的能带结构、光激发过程和界面的电子转移等因素对光电催化制氢的效率有着重要影响。
研究者们通过调控光电催化材料的能带结构和界面结构，来提高光电转化效率。
此外，研究者们还发现光电催化材料中的缺陷和杂质与催化活性之间存在着密切关系，通过控制材料的缺陷和杂质含量，可以提高光电催化制氢的效率。
最后，光电催化制氢的应用研究也取得了显著的进展。
光电催化制氢技术具有独特的优势，逐渐成为替代传统水电解制氢技术的重要手段。
研究者们在光电催化制氢技术的应用方面进行了广泛的探索，包括光催化水制氢和人工光合作用等。
同时，光电催化制氢技术也与其他能源技术相结合，用于驱动燃料电池和储能设备，实现能源的转换和储存。
总之，光电催化制氢技术是一种具有广阔应用前景的可再生能源技术。
通过对光电催化材料的设计与合成、机理研究以及应用研究，可以提高光电催化制氢的效率和稳定性。
未来，光电催化技术将为氢能源和可再生能源的发展做出更大的贡献。
光解水制氢的原理
光解水制氢的原理
光解水制氢是一种基于太阳能来制造清洁的燃料氢的方法。
该方法能够利用太阳能将
水分解成氢气和氧气。
这种能源转化方式能够产生清洁环保的燃料，同时也有助于减少对
化石燃料的依赖和减少二氧化碳排放。
光解水制氢的原理是利用太阳能将水分子中的氧气分离出来，从而分解出氢气。
它需
要使用特殊的光敏化合物（例如钛酸钡）作为催化剂，起到加速反应的作用。
它们能够吸
收太阳光并促进化学反应，将光能转换成电子能，并将电子传输到水分子中的氢离子上，
将它们与电子结合成氢气。
在这个过程中，水分子中的氧气会被释放出来形成氧气气体。
这个反应需要考虑的因
素包括光敏化合物的选择、反应的温度、光能量的强度以及反应物和产物的浓度等等。
需要注意的是，光解水制氢的效率受到很多因素的影响，例如光敏化合物的质量和浓度、反应体系的条件等等。
提高反应效率的方法包括改进催化剂、优化反应体系中各组分
的比例和温度，以及提高光能量的输入等等。
由于光解水制氢的效率和成本需要进一步改进，目前这种技术还没有得到广泛的应用。
但是，随着技术的进步和环境保护意识的增强，光解水制氢的前景十分广阔。
它被视为未
来氢能的重要组成部分，并可能推动氢能领域的发展。
太阳能热化学制氢
太阳能热化学制氢
太阳能热化学制氢是指利用太阳能直接或间接提供热能，通过化学反应将水分解产生氢气的过程。
太阳能热化学制氢主要有两种方法：
1. 光照法：利用太阳能光照产生高温，将水分解为氢气和氧气。
这种方法通常采用高温太阳能反应器，如太阳炉或太阳燃烧器，将聚光的太阳能转化为热能。
一般采用高温热电化学法，使得通过电解水分解的方式将水分解为氢气和氧气。
2. 热化学循环法：利用太阳能提供热能，通过特定的化学反应循环将水分解为氢气和氧气。
这种方法通常分为两步反应：第一步是利用太阳能提供热能，将一种媒介物或化合物转化为高温高压的气体，在这个过程中释放出氢气，同时产生废物；第二步是将废物通过热解或还原反应，再次转化为初始媒介物或化合物，同时释放出气体，并回收和再利用初步媒介物或化合物。
太阳能热化学制氢具有许多优点，如可持续性、环保性和广泛性等。
然而，目前这种技术还面临许多挑战，例如高成本、低能量转化效率和储氢问题等。
因此，还需要进一步研究和开发，以提高太阳能热化学制氢的效率和经济性。
光催化制氢原理
光催化制氢原理一、介绍在可持续能源开发的背景下，光催化制氢成为一种备受研究和关注的新能源技术。
本文将介绍光催化制氢的原理及其在能源转换中的应用。
二、光催化制氢的定义光催化制氢是利用可见光或紫外光激发光催化剂的电子激发态，通过反应产生的自由载流子参与水的分解反应，最终生成氢气的过程。
主要有两种机制，一种是直接水分解，另一种是光解水产生氧气和氢气。
2.1 直接水分解机制直接水分解是指光催化剂在光照下获得足够的能量，使得水的氢键断裂，产生氢气和氧气。
这种机制需要光催化剂具备较高的光电转换效率和催化活性。
2.2 光解水机制光解水是指光催化剂在光照下通过一系列光电转换过程，间接地将水分解成氢气和氧气。
光解水机制一般分为光生电子-空穴对机制和催化半反应机制。
三、光催化制氢的原理光催化制氢的原理主要包括光催化剂的活性中心和光生载流子的产生和利用。
3.1 光催化剂的活性中心光催化剂的活性中心通常是由过渡金属离子组成的复合物。
这些过渡金属离子具备一定的电子结构，可以通过吸收光能使得电子激发到较高能级。
光催化剂通常会选择具有较低的禁带宽度和适当的导带和价带位置的材料作为活性中心。
3.2 光生载流子的产生和利用当光催化剂的活性中心吸收光能后，电子从价带跃迁到导带形成电子空穴对。
这些电子空穴对是光催化制氢反应的关键中间体，它们可以参与一系列的催化反应，如水分解反应或光解水反应。
这些反应最终导致氢气的产生。
四、光催化制氢的应用光催化制氢具有很大的潜力用于可再生能源转换和储存。
其应用主要集中在以下几个方面。
4.1 光催化制氢在太阳能电池中的应用光催化制氢可以与光伏发电相结合，构建太阳能电池。
通过将光催化制氢装置与光伏电池串联，将太阳能转化为电能和化学能，实现能源的高效转换和存储。
4.2 光催化制氢在储氢材料中的应用光催化制氢可以产生高纯度的氢气，直接储存于储氢材料中。
这些储氢材料可以在需要氢气时释放出来，为氢燃料电池等装置提供燃料。
光电化学电池(PEC)催化全裂解水制氢技术研究进展东莞理工
光电化学电池（PEC）催化全裂解水制氢技术研究进展摘要：主要介绍太阳能光电学电池（PEC）分解水制氢技术的基本原理以及发展历史和研究现状, 和光阳级、光阴极的选材要求及发展，并在此基础上分析影响该技术发展的一些因素催化电极的制备以及太阳能光化学电池的结构等一系列问题。
Abstract: This paper mainly introduces the solar energy photoelectricity cell (PEC) split water the basic principle of hydrogen production technology and the development history and research status, and light Yang, material requirements and development of the photocathode, based on the analysis of the factors affecting the development of the technology of catalytic electrode preparation, and the structure of solar photochemical batteries a series of problems.关键词:PEC 制氢制备电池的结构前言在新能源领域中,氢能已普遍被认为是一种最理想的绿色能源,这是它的独特的优点所决定的.在所有元素中, 氢重量最轻,它能够以气、液、固 3 种形式存在, 能适应贮运及各种应用环境的不同要求 ; 所有气体中, 氢是自然界存在最普遍的元素; 除核燃料外,氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的 ; 氮燃烧性能好 ; 氢气本身无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁,水是其唯一产物, 不会对环境产生污染,也不会带来温室效应 ; 氢能利用形式多, 既可作为家用燃料, 又可用于航夭等.制氢的方法有许多种, 但如果能利用可再生能源来制氢, 那将是取之不尽、用之不竭的能源休系.太阳能在所有可再生能源中当为首选.太阳能可以通过分解水或其它许多途径转换成氢能, 即太阳能制氢.这包括许多方法,如太阳能光电化学电池分解水制氢、光化学催化制氢、太阳能生物制氢等, 其中太阳能光电化学(photo-electrochemical,PEC ) 电池分解水制氢技术是很具前景的技术.这是因为PEC 技术是基于太阳能和水, 而这两种物质都是可再生的 ,没有副产品, 不会给环境带来污染;技术相对比较简单;既可小规模应用, 又可大规模开发等等优点.因此,大力发展制氢技术, 特别PEC技术将是未来发展的方向。
光解水制氢的原理
光解水制氢的原理光解水制氢是一种利用光能将水分解为氢和氧气的化学反应过程。
它是一种可持续发展的方法，因为水是广泛存在的资源，并且制氢过程中产生的氢气是一种清洁的能源。
光解水制氢的原理涉及到光催化剂、光吸收和电子传递过程。
首先，光催化剂是光解水制氢过程中的关键因素之一、光催化剂是一种能够吸收光能的材料，它能够将光能转化为化学能，并促使光解水反应的进行。
传统的光催化剂包括二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）等。
这些光催化剂可以通过光吸收过程将光能转化为激发态电子。
其次，光吸收是光解水制氢过程中的另一个重要步骤。
当光照射到光催化剂的表面时，光子会被吸收，导致光催化剂中的电子从基态跃迁到激发态。
这种激发态电子具有较短的寿命，因此需要及时传递给其他分子或离子，以免损失光能。
接下来是电子传递过程。
光催化剂通过电子传递过程将激发态电子转移到反应物上，以完成光解水制氢反应。
一种常见的电子传递过程是光生电子和光生空穴在材料中的分离，其中光生电子参与氧发生反应，而光生空穴参与水的氧化反应。
在光解水制氢过程中，光生电子通常与水分子发生反应，将水分子还原为氢气。
这个反应被称为还原反应。
光生电子在还原反应中从水分子中夺取电子，生成氢离子（H+）。
氢离子在水中可以与自由电子结合，生成氢气（H2）。
同时，光生空穴可以与水分子发生反应，形成氧气（O2）。
这个反应被称为氧化反应。
总结起来，光解水制氢的原理是通过光催化剂吸收光能，将光能转化为激发态电子，然后通过电子传递过程将激发态电子转移到水分子上进行还原反应，生成氢气。
光解水制氢是一种可持续发展的制氢方法，可以利用光能和水这两种广泛存在的资源，而且光解水制氢过程中产生的氢气是一种清洁的能源。
但是，目前光解水制氢的效率还比较低，需要进一步的研究和改进。
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光电化学分解法制氢的方法
链接：/baike/238.html
光电化学分解法制氢的方法
典型的光电化学分解太阳池由光阳极和阴极构成。
光阳极通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子空穴对，光阳极和对极(阴极)组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向阴极，水中的氢离子从阴极上接受电子产生氢气。
半导体光阳极是影响制氢效率最关键的因素。
应该使半导体光吸收限尽可能地移向可见光部分，减少光生载流子之间的复合，以及提高载流子的寿命。
光阳极材料研究得最多的是TiO2。
TiO 2作为光阳极，耐光腐蚀，化学稳定性好。
而它禁带宽度大，只能吸收波长小于387nm的光子。
目前主要的解决途径就是掺杂与表面修饰。
掺杂有非金属离子掺杂、金属离子掺杂、稀土元素掺杂等。
要使分解水的反应发生，最少需要1．23V的能量，现在最常用的电极材料是TiO2，其禁带宽度为3eV，把它用作太阳能光电化学制氢系统的阳极，能够产生0．7～0．9V的电压，因此要使水裂解必须施加一定的偏压。
由于太阳能制氢中常用的施加偏压方法有：利用太阳电池施加外部偏压和利用太阳电池在内部施加偏压，所以太阳能光电化学分解水制氢可分为一步法和两步法。
一步法就是不将电能引出太阳电池，而是在太阳电池的两个电极板上制备催化电极，通过太阳电池产生的电压降直接将水分解成氢气与氧气。
该方法是近年来在多结叠层太阳电池(如三结叠层非晶硅太阳电池)研究方面取得进展的情况下逐渐被重视起来的。
由于叠层太阳电池的开路电压可以超过电解水所需要的电压，而电解液又可以是透光的，所以将这种高开路电压的太阳电池置人电解液中，电解水的反应就会在光照下自发进行。
这种方法的优点是免去了外电路，降低了能量损耗，但是光电极的光化学腐蚀问题比较突出，故研究的重点是电池之间的能隙匹配、电池表面防腐层的选择和制备器件结构的设计，对催化电极的要求是有较低的过电势、有好的脱附作用、对可见光透明、防腐、廉价。
两步法光伏电解水是将太阳能光电转换和电化学转换在两个独立的过程中进行
这样可以通过将几个太阳电池串连起来，以满足电解水所需要的电压条件。
两步法制氢有以下优点：在系统中可以分别选用转化效率高的太阳电池和较好的电化学电极材料以提高光电化学转换效率；可以有效避免因使用半导体电极而带来的光化学腐蚀问题。
但两步法要将电流引出电池，这要损耗很大的电能，因为电解水只需要低电压，如若得到大功率的电能就需要很大的电流，使得导线耗材和功率损耗都很大，而且在电流密度很大时也加大了电极的过电势。
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