太陽能光解水制氫研究的發(fā)展方向
化學(xué)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(chǎn)氫，是20世紀(jì)80年代中以來催化領(lǐng)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(chǎn)主要是熱化學(xué)方法。其中包括非催化的水碳反應(yīng)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(yīng)必須在高溫下進(jìn)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(chǎn)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(yīng)用還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。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(jìn)光電化學(xué)池方法 首先將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電解水制氫。除目前已經(jīng)進(jìn)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(jù)稱，這種新型電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了改進(jìn)，采用一種無定形有機空穴導(dǎo)電材料作為固體電解質(zhì)，光電轉(zhuǎn)換效率可進(jìn)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(xué)池分解水復(fù)合裝置，從功能上對光合作用中的分解水過程進(jìn)行模擬，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)生了重大影響。
(2)對絡(luò)合光催化和半導(dǎo)體光催化分解水體系進(jìn)行改造通過固載化、 聚合及成膜等技術(shù)制成具有吸收可見光、電荷轉(zhuǎn)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(jié)合起來，提高過程的效率和效益以及反應(yīng)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(zhuǎn)移光敏絡(luò)合物敏化半導(dǎo)體，可以進(jìn)一步推進(jìn)太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)化和儲存的實用化。但只有通過化學(xué)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(jié)合在 太陽輻射中紅外光占50%，通過熱催化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。具體方法是利用吸熱反應(yīng)吸收太陽的熱能，再通過放熱反應(yīng)使熱量釋放出來，以達(dá)到太陽能熱化學(xué)儲存的目的。俄羅斯和澳大利亞學(xué)者在這方面已做了大量工作，并建有模擬裝置?？梢杂糜谔柲軣峄瘜W(xué)儲存的催化反應(yīng)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(dǎo)體用于光解水制 氫和光電轉(zhuǎn)換材料。復(fù)合氧化物半導(dǎo)體，如ZnFe2O4的光催化性能值得進(jìn)一步 研究。根據(jù)近年來的實驗結(jié)果，在可見光照射下，ZnFe2O4的光催化活性可以和Pt/CdS相比。不必?fù)?dān)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(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，以便進(jìn)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(xué)K. Domen及其合作者在復(fù)合氧化物催化劑光解水方面也做了大量工作。
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