太陽能光解水制氫研究的發(fā)展方向
化學先生 / 2019-08-02
氫能作為一種干凈的可再生能源,在未來新能源的研究中占有重要地位。從非烴原料大規(guī)模生產氫,是20世紀80年代中以來催化領域中最活躍的研究課題之一。眾所周知,除電解水制氫以外,在工業(yè)上氫的大規(guī)模生產主要是熱化學方法。其中包括非催化的水碳反應以及烴類的蒸汽重整和水煤氣變換等熱催化過程。在這些方法中,氫也主要來源于水,但反應必須在高溫下進行,消耗大量的化石燃料并排放出二氧化碳,造成碳資源損失和環(huán)境污染。若能利用太陽能通過光解水方法大量生產氫氣,對新能源的開發(fā)將具有重大戰(zhàn)略意義。然而,通過前面的簡要回顧不難看出,太陽能光解水制氫的研究距實際應用還相當遙遠。有必要從太陽能利用角度出發(fā),對光解水制氫研究的發(fā)展方向加以討論。
(1)改進光電化學池方法 首先將太陽能轉化為電能,再通過電解水制氫。除目前已經進人實用化階段的太陽能光伏電池和太陽能熱發(fā)電以外,值得注意的是前面提到過的M. Graetzel及其合作者報道的可見光敏化TiO2納米晶光伏電池。據稱,這種新型電池的光電轉換效率可達10%以上,且價格比硅太陽能電池便宜。后來,他們又對電池的結構和性能進行了改進,采用一種無定形有機空穴導電材料作為固體電解質,光電轉換效率可進一步提高。如果將這種新型可見光敏化光伏電池用于太陽能光解水制氫,則有可能發(fā)展成-種全新的光電化學池分解水復合裝置,從功能上對光合作用中的分解水過程進行模擬,其結構示意圖見圖6-4和圖6-5。由于Graetzel的這種新型太陽能電池,近年來在國際上產生了重大影響。
(2)對絡合光催化和半導體光催化分解水體系進行改造通過固載化、 聚合及成膜等技術制成具有吸收可見光、電荷轉移和催化功能的分子裝置。把光解水制氫和光催化氧化處理有機污染物或含氧化合物的合成結合起來,提高過程的效率和效益以及反應體系的穩(wěn)定性。從人工模擬光合作用的角度而言,用電荷轉移光敏絡合物敏化半導體,可以進一步推進太陽能光化學轉化和儲存的實用化。但只有通過化學合成和組裝方法制作分子裝置,才能將人工模擬光合作用提高到分子水平。
(3)和太陽能熱利用相結合在 太陽輻射中紅外光占50%,通過熱催化轉化把這部分太陽能利用起來,作為光解水制氫的輔助儲能手段,可以提高太陽能全譜的能量轉換效率。具體方法是利用吸熱反應吸收太陽的熱能,再通過放熱反應使熱量釋放出來,以達到太陽能熱化學儲存的目的。俄羅斯和澳大利亞學者在這方面已做了大量工作,并建有模擬裝置。可以用于太陽能熱化學儲存的催化反應有甲烷蒸汽重整(吸熱)和甲烷化(放熱)、氨分解(吸熱)和合成氨(放熱)等。
(4)繼續(xù)尋找新型可見光半導體用于光解水制 氫和光電轉換材料。復合氧化物半導體,如ZnFe2O4的光催化性能值得進一步 研究。根據近年來的實驗結果,在可見光照射下,ZnFe2O4的光催化活性可以和Pt/CdS相比。不必擔載貴金屬就可以用于H2S和CH3OH的光解、對氯苯酚的光催化氧化以及從廢水中回收金。在相同條件下活性優(yōu)于TiO2,穩(wěn)定性比CdS要好。此外,我們還對納米ZnFezO4的制備和表征進行了較系統(tǒng)的研究,以便進一步探索其用于納米晶光伏電池膜電極材料的可能性。近年來日本東京工業(yè)大學K. Domen及其合作者在復合氧化物催化劑光解水方面也做了大量工作。