光催化分解水产氢

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光催化分解水制氢

H. Yamashita ,et al J. Photochem Photobio A: Chem. 148 (2002) 257–261
Mo6+-doped TiO2
Y. Yang ,et al J. Photochem Photobio A: Chem. 163 (2004) 517–522
Schottky Barrier from noble metal & n-semiconductor
• Low cost, ease of availability
Photocatalysis goes to TiO2 1 n-type TiO2 electrode 2 platinum black counter electrode
era!!3 ionically conducting separator 4 gas buret
0.41 ？ 0.31
2.42 1.70 1.56 2.4 2.82 3.68 3.35
17 ？ 30
5.4 10.0 10.2 10.4 9.2 8.9 9.0
eV=1240/λ
光波波长对应的能量
200n2m022年3月226日.2星eV期二
600nm
2.067eV
400nm 800nm
3.1eV 1.55eV
2.2eV), CdS, CdSe, WO3, Cu2O,
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Institute of Nanoscience
主要的优化方法
掺杂（调控能带）(C,N,过渡金属或稀土掺杂等)
包覆（降低超电势，增加稳定性，提高电子空穴分离效率，提供析氢活性中心）（贵金属等）

光催化水分解产氢效率改进方法

光催化水分解产氢效率改进方法水分解是一种可持续的制氢方法，其基本原理是利用太阳能将水分解为氢气和氧气。

光催化水分解具有低能耗、环境友好等优势，因此被认为是一种潜在的清洁能源制氢技术。

然而，目前光催化水分解的效率还不够高，需要进一步改进。

本文将介绍几种改进光催化水分解产氢效率的方法。

首先，调节光催化剂的组成和结构是提高光催化水分解产氢效率的重要手段。

研究表明，负载型金属半导体光催化剂具有良好的光吸收能力和光生电子传输性能，能够显著提高产氢效率。

此外，调节催化剂的晶相和表面形貌也可以改善催化剂的光催化性能。

例如，通过合理控制催化剂晶相的选择和调控，可以提高催化剂对可见光的吸收能力，从而增强光催化活性。

此外，改变催化剂的表面形貌，例如制备纳米结构或多孔结构，可以增加反应活性位点和延长光生电子-空穴对的寿命，提高光催化产氢效率。

其次，调节光催化水分解的环境条件也是提高产氢效率的关键。

光催化水分解是一个复杂的界面反应过程，光催化剂和水溶液之间的界面是关键的反应区域。

因此，调节反应溶液的pH值、温度、溶液浓度以及光照强度等因素，可以影响界面上的反应速率和产氢效率。

例如，研究表明，酸性条件下光催化水分解的产氢效率较高，而碱性条件下则较低。

此外，通过调节溶液浓度，可以提高光催化剂与水溶液中反应物的接触频率，增加反应的可能性。

此外，采用温度升高的方式可以促进反应速率的提高，从而提高产氢效率。

此外，引入协同催化剂是提高光催化水分解产氢效率的另一种方法。

协同催化剂可以协同作用，提高光催化活性和稳定性。

例如，将金属催化剂和半导体催化剂进行复合，可以形成金属-半导体异质结构，可以拓宽光催化剂的光吸收区域，提高催化剂的光催化效率。

此外，引入辅助剂也可以提高光催化水分解产氢效率。

例如，添加一定浓度的盐类可以提高多孔催化剂的表面活性位点密度，增强催化剂的光催化活性。

此外，调节协同催化剂的相互作用也是提高产氢效率的重要手段。

通过控制协同催化剂在催化剂表面的分散度和拓扑结构，可以有效缓解光生电子-空穴对的复合，提高光催化活性，从而提高光催化水分解产氢效率。

CdS／石墨烯复合材料的制备及其可见光催化分解水产氢性能

，
递介质，明显加快Ｃｄ可Ｓ光牛电子的迁移速率，高光生载流子的分离效率从而增强复合材料的光电性能和提光催化分解水产氢的活性．
，
关键词：ＣＳ石墨烯：光电性能：产氢：可见光ｄ；中图分类号：０４．２６３３
物理化学学报（耽
２１８７
口１Ｄ
Ｓｐｅｅｅｔｍｂｒ
ｗｗｗｗｈｂ．ｋｕｅ．ｒｘｐ．ｄｕＣｌ
．
Ａｔ．Ｃｉ．．０１２（）２７ — １４ｃＰａ・ｈｍ２１，７９，１８２８
［ｔｌ】Ａｒｉｅｃ
．
ｇａｐｅｎｘｄｔＳｎｏｐｉｌｓｉｑｕｏｕｔａｏｏｌｔｎＴｈｔｕｔｒｎｈｔｅｅｔｉａｌｒｈｅｏｉｅｗｉＣｄａｎａ￣ｃｅｎａｎａｅｓｅｈｎＩｈｓｕｉｏｅｓｒｃｕｅａｄｐｏｏｌｃｒｃ
Ｃｄ，Ｓ石墨烯复合材料的制备及其可见光催化分解水产氢性能
敏世雄吕功煊
，
（中国科学院兰州化学物理研究所，羰基合成与选择氧化国家重点实验室兰州７００）３００
摘要：以氧化石墨烯和ＣＳ为原料，乙醇水溶液中采用Ｃｄｄ在Ｓ光催化还原法制备了ＣＳ石墨烯复合光催化ｄ／
ＭｉｏｇＩＳｈ－ｎＮＸｉＬＵＧｏｇＸｕｎ－ａｎ
（ｔｔＫｙＬｂｒｔｒｆｒｘｎｈｓｎｅｃｉｘｄｔｎＬｎｈｕｎｔｕｅ『ｈｍｃｌｈｓｓＳａｅｅａｏａｏｙｏｏＳｔｅｉａｄＳｌｔｅＯｉａｉ．ａｚｏｓｉｔ０ＣｅｉａｙｉＯｙｓｅｖｏＩｔＰｃＣｉｅｅｃｄｍＳｉｃｓＬｎｈｕ７００，ＲＣｉａｈｎｓａｅｙｏｃｅｅ．ａｚｏ３００Ａｆｎ．ｈ、ｎ

CdS形貌可控制备及其可见光分解水产氢性能

ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ－ａｓｓｉｓｔｅｄｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｇｌｕｔａｔｈｉｏｎｅ（ＧＳＨ）ａｓｔｈｅｓｕｌｆｕｒｓｏｕｒｃｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｄｉｒｅｃｔｉｎｇｒｅａｇｅｎｔ．
李曹龙，・赵宇婷・曹菲王飞・王越袁坚２上官文峰２
（中国药科大学理学院无机化学教研室，南京２１１１６９）（上海交通大学机动学院燃烧与环境技术中心，上海２００２４０）
ＬＩＣａｏ — Ｌｏｎｇ
ＺＨＡＯＹｕ－ＴｉｎｇＣＡＯＦｅｉＷＡＮＧＦｅｉＷＡＮＧＹｕｅ
ＹＵＡＮＪｉａｎ。ＳＨＡＮＧＧＵＡＮＷｅｎ－Ｆｅｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｉｎｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｆＳｏｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｉｎａＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１６９，Ｃｈｉｎａ）ｆ２ＲｅｓｅｒｃａｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ∞ ＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）

基于MOFs材料光催化分解水制氢的研究进展

受新冠肺炎疫情等影响，全球传统化石能源供应日趋紧张，绿色清洁新型能源的转型发展也越来越紧迫，氢能作为目前最具潜力的清洁能源，在交通、储能、建筑和分布式发电等领域都有着广阔的应用前景，是助力中国“双碳”目标和全球能源生产消费革命、构建低碳高效能源体系的重要抓手。

太阳能是全球分布最广泛均匀的清洁能源，利用太阳能分解水制氢可从源头阻断碳排放，这种绿色环保的技术将会在未来的氢能生产中占据主力位置，是解决能源危机和改善环境的最佳选择之一。

太阳能分解水制氢技术目前研究较多的主要有光催化法制氢、光热分解法制氢和光电化学法制氢，其中，光催化法制氢体系简单、催化剂来源广泛、成本较低，可有效捕获、转换和储存太阳能，被认为是现阶段最具应用发展前景的太阳能制氢技术之一。

光催化剂是光催化分解水制氢体系的核心，通过太阳光激发光催化剂价带（VB）上的电子并跃迁至导带（CB），产生光生电子及空穴，光生电子空穴对分离并迅速转移至光催化剂表面，电子与H+发生还原反应生成H2，空穴则氧化水产生O2。

然而，传统的光催化剂中的电子可能会与空穴发生表面或体相复合，导致光催化反应效率降低，且存在太阳光利用率不高等问题。

若要保证光生电子与空穴的分离效率以及光利用率，使反应尽可能地向生成H2的方向进行，寻找新型高效的光催化剂材料显得尤为重要。

其中，设计制备金属有机框架（MOFs）光催化材料催化分解水制氢是近年热门研究方向之一。

MOFs主要代表类型有：以Zn、Co等过渡金属与咪唑类有机物配位而成的ZIF系列、以Fe、Cr等过渡金属或镧系金属与芳香羧酸类配体配位而成的MIL系列，以及主要以Zr金属与对苯二甲酸配位而成的UiO系列等。

这些MOFs材料在光催化分解水制氢的相关应用研究正逐年上升，但单一MOFs光催化材料仍存在光生电子空穴对分离率较低、稳定性较差等问题，在一定程度上降低了其制氢效率的进一步提升。

美国能源科学部认为太阳能转换氢能效率达到10%以上，太阳能光催化分解水制氢才能实现初步工业化，而MOFs光催化活性离该目标还有一定差距。

光催化光解水制氢百科_解释说明

光催化光解水制氢百科解释说明引言部分的内容：1.1 概述：光催化光解水制氢是一种利用太阳能将水分子分解成氢气和氧气的现代科学技术。

通过这种方法，不仅可以生产出清洁的燃料氢气，还能同时减少对环境的影响。

光催化光解水制氢被认为是一种可持续发展和环境友好的能源解决方案。

1.2 文章结构：本文主要包含五个部分：引言、光催化光解水制氢的原理与机制、光催化材料在光解水制氢中的应用、光解水制氢过程中面临的挑战和展望以及结论。

文章将从介绍概念开始，然后深入探讨光催化反应的定义与特点、光解水制氢的原理与相关反应以及选择与设计适合于该过程的光催化剂等内容。

随后，会介绍半导体材料在该领域中的应用、复合材料与异质结构设计以及催化剂修饰及载流子传输调控技术等方面。

接下来，我们将重点讨论动力学限制和提高效率的策略、资源与环境可持续性考虑以及商业化应用前景与未来发展方向。

最后，我们将总结本论文的主要研究成果，并展望未来在这一领域的研究方向。

1.3 目的：本文的目的是全面阐述光催化光解水制氢的原理、机制和应用，并分析该过程中所面临的挑战和可能的解决办法。

通过对相关文献和研究成果进行综合整理和分析，希望为读者提供一个深入了解光催化光解水制氢以及其潜在应用价值和发展前景的全面指南。

此外，本文还将探讨存在于该领域中尚未解决问题，并提出未来进一步研究该技术时可能关注的重点方向。

根据以上内容撰写了文章"1. 引言"部分，请您查看并反馈满意度。

2. 光催化光解水制氢的原理与机制2.1 光催化反应的定义与特点光催化反应是指利用光能激发物质中的电子和空穴，在固体表面或溶液中进行化学反应的过程。

相比传统的热催化反应，光催化反应具有以下几个显著特点：首先，光能可以高效提供活性能量，使得部分惰性物质也能够发生反应；其次，光催化反应在温和条件下进行，减少了对环境的热污染；此外，光催化材料具有可再生性和可调控性等优点，在节约资源和环境可持续性方面具有潜力。

光电催化分解水原理

光电催化分解水原理宝子们！今天咱们来唠唠一个超酷的事儿——光电催化分解水的原理。

这可不是什么遥不可及的高深科学，就像拆盲盒一样，只要咱一点点揭开它的神秘面纱，就会发现超级有趣呢。

咱先来说说水是个啥。

水啊，就是咱日常生活里最常见的东西，到处都是。

可你想过没，这平平无奇的水，其实蕴含着巨大的能量秘密。

从化学的角度看，水是由氢和氧组成的，化学式是H₂O。

这俩元素就像一对小情侣，紧紧地抱在一起。

那光电催化是咋回事呢？想象一下，有这么一个特殊的材料，就像一个魔法棒一样。

这个材料在光照的情况下，就像被施了魔法一样，变得超级活跃。

当光照射到这个材料上的时候，光子就像一个个小能量包，“哐哐”地砸到材料表面。

这时候，材料里的电子就像一群被惊到的小兔子，开始到处乱窜。

这些乱窜的电子可不得了，它们就有了足够的能量去打破水里面氢和氧的“恋爱关系”。

这个特殊的材料就像是一个红娘，不过是个搞破坏的红娘。

它把电子送到水的分子旁边，然后电子就像一个小撬棍，开始撬动氢和氧之间的化学键。

在这个过程中，水就开始被分解啦。

氢原子就像一个个小气球一样被释放出来，氧原子呢，也从原来的组合里被拆开，然后两个氧原子又结合在一起，变成氧气，就像两个小伙伴又重新组队了一样。

那这个特殊的材料为啥这么神奇呢？这就得说到它的结构啦。

这种材料有一些特殊的地方，就像它有很多小口袋一样，这些小口袋可以容纳电子，还可以让电子在里面跑来跑去。

而且，材料的表面也不是平平的，有很多小凸起或者小坑洼，就像月球表面一样。

这些小凸起和小坑洼可以让水分子更好地吸附在上面，就像小吸盘一样，这样电子就更容易和水分子接触，然后进行分解的工作。

你可能会想，这光电催化分解水有啥用呢？用处可大了去了。

比如说，氢气可是一种超级清洁能源呢。

如果我们能通过光电催化分解水大量地制取氢气，那以后汽车就不用烧油了，直接烧氢气，排放出来的就是水，多环保啊。

而且，这对于解决能源危机也是一个超棒的办法。

光催化分解水原理及效率提高的途径[指南]

光催化分解水原理及效率提高的途径光解水的原理光催化反应可以分为两类“降低能垒”(down hil1)和“升高能垒”(up hil1)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=237 kJ/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E（H+/H2）稍负，而价带电位则应比氧电极电位E（o2/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。

提高光催化剂性能的途径1.光催化剂纳米化纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。

纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多，原因在于：由于量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正，这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化或还原能力。

纳米TiO2粒子不仅具有很高的光催化活性，而且具有耐酸碱腐蚀和光化学腐蚀、成本低、无毒，这就使它成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。

2.离子掺杂离子的掺杂产生离子缺陷，可以成为载流子的捕获阱，延长其寿命。

离子尺寸的不同将使晶体结构发生一定的畸变，晶体不对性增加，提高了光生电子-空穴分离效果。

赵秀峰等制备了掺杂铅的TiO2薄膜。

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Fig. 6 SEM images of (a) α-BZT and (b) 0.01Cu-α-BZT.
8
Fig. 7 UV-vis spectra of Cu-α-BZT. The inset is the corresponding Eg value.
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
Fig. 10 XRD and Rietveld refinement pattern of Bi1.5ZnTa1.5O7
10
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
Fig. 11 The calculated energy band and density of states (DOS) of α-BZT: (a) the energy band and (b) the density of states.
12
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
Fig. 12 Schematic diagram of band structure and light responding of Cu-α-BZT.
13
结论
H.I.T Dep. Chemistry
利用简单的固相法合成出了一种新型的具有烧绿石型结构的光催化剂Bi1.5ZnTa1.5O7 ；对催化剂进行了Zn位Cu的掺杂，使其对可见光产生了响应；对催化剂样品进行了基于DFT的理论计算，结果表明Cu掺杂所产生的杂质能级是其具有可见光活性的根本原因。
H.I.T Dep. Chemistry
第 12 届全国氢能会议暨第 4 届两岸三地氢能研讨会大会报告
新型Bi1.5Zn1-xCuxTa1.5O7 光催化剂: 可见光分解水性能及电子结构的研究
孙净雪，陈刚*，裴健，金仁成，李英宣
哈尔滨工业大学化学系
*(+86)-451-86413753，gchen@；
7
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
x=0
Reflection/a.u.
x=0.01
3.0 Байду номын сангаас.9
Eg/ev
x=0.02 x=0.03
x=0.04
2.8 2.7 2.6 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 x of doped
400
600
800
Wavelength/nm
实验部分
H.I.T Dep. Chemistry
Fig. 4 The crystal structure of Bi1.5ZnTa1.5O7 (α-BZT)showing the Bi1.5Zn0.5O6 sublattice (left) and the Zn0.5Ta1.5O sublattice (right).
14
H.I.T Dep. Chemistry
15
skybluesnow@
H.I.T Dep. Chemistry
涵盖大多数元素金属氧化物烧绿石/钙钛矿结构钽酸盐催化剂
Fig.3 Elements constructing heterogeneous photocatalysts.
5
Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253–278.
固相法提高结晶度、掺杂提高可见光响应、精修及DTF计算研究晶体电子结构
6
J. Mater. Chem., 2011, 21, 1496–1502
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
Fig. 5 (a) XRD patterns of Bi1.5Zn1-xCuxTa1.5O7 with different values of copper doped, and (b) the detailed magnifying of diffraction peak (222).
skybluesnow@
1
绪论
些能源带来的环境问题也日趋严重。
H.I.T Dep. Chemistry
煤、石油、天然气等传统能源面临枯竭之势，同时这
开发无污染、可再生的新能源及高效、环保的污染物
处理技术势在必行。制氢太阳能半导体降解
2
自从Fujishima和Honda于1972年发现了TiO2光电化学分解水产生H2和O2以来，科学工作者为实现太阳能光解水制氢一直在作不懈的努力。
绪论
H.I.T Dep. Chemistry
能隙宽度导带组成及位置价带组成及位置跃迁类型及杂质能级
Fig. 2 The band structures of common photocatalysts
4
J. Mater. Chem. 2010, 20, 627-641.
绪论
绪论
H.I.T Dep. Chemistry
Fig.1 Basic principle of overall water splitting on a heterogeneous photocatalyst.
3
Sun JX, Chen G, etc. Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4052-4060
11
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
Fig. 11 The calculated energy band and density of states (DOS) of Cu-α-BZT: (a) the energy band and (b) the density of states.
Fig. 8 Photocatalytic performance of Bi1.5Zn1-xCuxTa1.5O7 under (a) UV and (b) visible light.
9
结果与讨论
H.I.T Dep. Chemistry
Rwp=0.0871 Rp=0.0746
Fig. 9 The crystal structure of Bi1.5ZnTa1.5O7