光催化分解水制氢研究进展

【摘 要】本文综述了光催化分解水制氢的基本原理、光催化分解水制氢研究所面临的问题、新型光催化水处理反应器、光催化分解水制氢的应用，并对光催化水制氢的未来发展进行展望

【关键词】光催化;制氢

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

Key words：photocatalytic;hydrogen production

1前言

把太陽能转化为氢能，发展高效、低成本的太阳能规模化制氢技术具有重大的社会、经济效益[1，2]。20世纪70年代初，日本东京大学Fujishima和Honda发现利用二氧化钛（TiO2）半导体单晶电极可发生光催化使水分解成氢和氧。从能源和环境的角度来说，太阳能光催化制氢也可能是最终的解决办法利用光催化分解水反应将太阳能转化为氢能成为了太阳能利用最有效、可靠的途径之一[3]

2光催化分解水制氢的基本原理

水转化成氢气和氧气，是一个能量增大的非自发反应由于受热力学条件限制采用热催化方法较难实现，如果进行热水分解，需要高温高压根据理论计算，在水溶液电解池中将一个水分子电解为氢和氧只需要1.23V的电压。绿色植物的光合作用就是通过叶绿素吸收太阳光，然后借助电子转移过程再把光能转化为电能将水分解的。

从热力学角度讲，水的分解过程是爬坡反应，属于非自发过程，需要外部能量来驱动进行，反应所需吉布斯自由能为237kJmol-1。在光催化分解水反应过程中，半导体首先吸收能量大于其带隙（Eg）的光子，使光生电子（e-）由半导体的价带（VB）跃迁至其导带（CB），与此同时，在价带上产生了光空穴（h+），进而完成光生电子和空穴的分离。最后光生电子转移至析氢共催化剂表面进行光催化析氢反应，光生空穴转移至析氧共催化剂表面进行光催化析氧反应按照反应热力学要求，半导体的导带底电位应比H+/H2（0VvsRHE）电位更负，而价带顶电位比O2/H2O（1.23VvsRHE）电位更正。因而，理论上驱动整个光催化分解水反应所需的最小光子能量为1.23eV。若将析氢和析氧反应的过电势考虑在内，光子能量至少要达到1.6eV以上。因此，在半导体基光催化材料研究领域中重点关注的内容是其能带位置。

3光催化分解水制氢研究所面临的问题

由于H2O被氧化成O2的过程是4电子反应，同时需要至少两个H2O吸附于光催化剂表面。在无共催化剂存在的情况下会严重阻碍该反应的进行，因而导致电荷积累。最终H2O会通过单电子或双电子过程被光催化氧化成OH或H2O2而不产生H2。

除上述可能发生的副反应之外，光催化分解水的逆反应也同样加以有效抑制。许多光催化反应的金属基析氢共催化剂，由于金属与氢的相互作用可能涉及到O，因而可能会通过热催化或电催化的方式发生氧还原反应，这种逆反应的发生也会对光催化分解水制氢反应产生不利影响。

4新型光催化水处理反应器

4.1悬浮式光催化反应器

Puma[24]等设计的喷泉式反应器，利用特殊的喷头喷出薄膜状的水流，光源则在薄膜的上方对其进行照射，此反应器具有很高的光催化效率和传质速率，且不存在膜“中毒”的问题，适合在水处理净化领域大规模的工业化应用。

4.2固定式光催化反应器

固定式光催化反应器一般将催化剂涂覆或嵌入固定的载体上，当待处理液在其表面流动时对污染物产生降解。此类光催化反应器适合放大进行工业应用，但是其传质效率依然比较低。

5光催化分解水制氢的应用

5.1 TiO2光催化材料在饮用水深度处理中的应用

TiO2光催化材料能有效降解饮用水中的微量有机污染物、去除无机污染物、杀灭微生物等，在饮用水的深度处理领域有着广阔的应用前景。

5.2 α-Fe2O3光电催化分解水

通过改变α-Fe2O3的形貌、对α-Fe2O3进行掺杂、与其他材料的复合、引入氧空位可以从提高载流子浓度，可以缩短载流子的迁移路程，促进光生载流子的迁移，减少载流子的复合。

5.3红磷单质光催化剂分解水制氢

2019年，Zhu等[32]利用CVD法，成功将Hittorfs红磷负载在g-C3N4上（PCN）.在可见光照射下，该复合材料展现出了优异的光催化活性

6总结与展望

目前，光催化分解水的诸多问题还不明晰，加强基础理论研究将促进这一领域的发展。探索新的研究手段和方法，构建新型、连续、稳定、高效的分解水制氢反应体系，促进太阳能规模制氢技术的发展等，为开发具有可见光响应的高效光催化剂提供依据，将是今后重要的工作。

参考文献：

[1]毛宗强（Mao Z Q）.氢能（Hydrogen Energy）.北京：化学工业出版社（Beijing：Chemical Industry Press），2005.1—18

[2]郭烈锦（Guo LJ），刘涛（Liu T），纪军（Ji J），赵亮（Zhao L），郝小红（Hao X H），延卫（Yan W）.科技导报（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.

作者简介：

孟雪婷（1999.11.25），女，汉族，辽宁阜新人，广西大学化学化工学院，18级在读本科生，本科学位，专业：化学工程与工艺，研究方向：化学工程与工艺。

（作者单位：广西大学化学化工学院）