太陽(yáng)燃料：新一代綠色能源
發(fā)布時(shí)間：2021-06-20 20:58
綜述了燃料發(fā)展的歷史、太陽(yáng)燃料的發(fā)展起源及光解水制氫、CO2光還原制化學(xué)品的科學(xué)研究總體進(jìn)展情況與發(fā)展趨勢(shì),并結(jié)合我國(guó)人工合成太陽(yáng)燃料科學(xué)研究概況,提出了發(fā)展新型高效光催化材料的合成方法學(xué)等發(fā)展建議。
【文章來(lái)源】：科技導(dǎo)報(bào). 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)
【部分圖文】：
光合固碳過(guò)程
光解水具有里程碑意義的報(bào)道來(lái)自于日本科學(xué)家Fujishima和Honda于1972年在《Nature》上光助電解水的報(bào)道，該研究開(kāi)創(chuàng)了利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫研究的先河[9]。彼時(shí)正逢全球石油危機(jī)，這一報(bào)道無(wú)疑引起了正在尋找石油替代能源的人們非常大的科學(xué)研究興趣。其光解水反應(yīng)在包含氧化鈦光電極和鉑對(duì)電極以及電解液的光電解池中進(jìn)行（圖2[9]），基本原理和過(guò)程為：當(dāng)氧化鈦單晶受光激發(fā)后產(chǎn)生電子和空穴對(duì)（e--h+），隨后在氧化鈦電極表面空穴氧化水生成O2和質(zhì)子（2H2O→O2+4H+），電子通過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到鉑電極表面進(jìn)行質(zhì)子還原放氫過(guò)程（2H+→H2），因此總反應(yīng)就是水在光子的照射下發(fā)生了分解，釋放O2和H2(2H2O→O2+2H2）。這一發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步展示在紫外激發(fā)的半導(dǎo)體（單晶Ti O2）光電極/電解液界面發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。以上光解水又常常被稱(chēng)為Fujishima-Honda效應(yīng)。由于這一方法有望在溫和條件下，利用豐富的太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)水的分解以提供潔凈氫能，引起光化學(xué)家和光電化學(xué)家的廣泛興趣。
該技術(shù)無(wú)需借助昂貴的設(shè)備和儀器，技術(shù)成本主要來(lái)源于催化劑及其制備過(guò)程，然而由于獲得的是H2和O2的混合氣體，如要獲取純凈H2，則需進(jìn)行氣體分離，這會(huì)帶來(lái)另外的成本核算。此外，由于產(chǎn)生具有高度爆炸危險(xiǎn)的混合氫氧氣體，因此該技術(shù)的缺陷也是顯而易見(jiàn)的，需要采取有效辦法消除生產(chǎn)過(guò)程的安全隱患。就半導(dǎo)體基光催化分解水制氫而言，1972年，Ti O2光電極在紫外光照下光催化分解水的量子效率僅為0.1%左右，經(jīng)過(guò)不斷地研究探索，2003年報(bào)道的紫外光激發(fā)下La摻雜Na Ta O3光催化劑分解水的量子效率達(dá)到56%[15]。2008年，東京大學(xué)Domen報(bào)道的單一光催化劑體系Rh2-xCrx O3/Ga N:Zn O可見(jiàn)光分解水制氫量子效率最高紀(jì)錄已提高至5.9%[16]，通過(guò)Z-Scheme雙光催化劑體系（Pt-Zr O2/Ta ON,Pt/WO3）的可見(jiàn)光分解水制氫量子效率達(dá)到了6.3%[17]，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦等通過(guò)構(gòu)建Mg Ta2O6-xNy和Ta ON之間的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，大幅度提升了二者之間的電荷傳遞效率，以該催化劑作為產(chǎn)氫光催化劑，與產(chǎn)氧光催化劑WO3耦合，其Z機(jī)制分解水的效率得到了有效促進(jìn)，可見(jiàn)光下分解水的表觀量子效率提升至6.8%，為目前文獻(xiàn)報(bào)道的Z機(jī)制分解水體系的最高效率[18]，但該效率離實(shí)際應(yīng)用所要求的太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%的目標(biāo)仍有一定差距。此外，該團(tuán)隊(duì)還提出具有原創(chuàng)性的“相結(jié)”“雙助催化劑”等概念構(gòu)建了一系列高效的光催化劑，例如以雙助催化劑理論構(gòu)建的三元光催化劑（吸光材料、氧化助催化劑和還原助催化劑）Pt/Pd S/Cd S在以硫化物為犧牲試劑的體系里，創(chuàng)造了高達(dá)93%的最高產(chǎn)氫量子效率[19]。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]太陽(yáng)能光催化制氫研究進(jìn)展[J]. 溫福宇,楊金輝,宗旭,馬藝,徐倩,馬保軍,李燦. 化學(xué)進(jìn)展. 2009(11)
本文編號(hào)：3239921
【文章來(lái)源】：科技導(dǎo)報(bào). 2020,38(23)北大核心CSCD
【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)
【部分圖文】：
光合固碳過(guò)程
光解水具有里程碑意義的報(bào)道來(lái)自于日本科學(xué)家Fujishima和Honda于1972年在《Nature》上光助電解水的報(bào)道，該研究開(kāi)創(chuàng)了利用太陽(yáng)能光催化分解水制氫研究的先河[9]。彼時(shí)正逢全球石油危機(jī)，這一報(bào)道無(wú)疑引起了正在尋找石油替代能源的人們非常大的科學(xué)研究興趣。其光解水反應(yīng)在包含氧化鈦光電極和鉑對(duì)電極以及電解液的光電解池中進(jìn)行（圖2[9]），基本原理和過(guò)程為：當(dāng)氧化鈦單晶受光激發(fā)后產(chǎn)生電子和空穴對(duì)（e--h+），隨后在氧化鈦電極表面空穴氧化水生成O2和質(zhì)子（2H2O→O2+4H+），電子通過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到鉑電極表面進(jìn)行質(zhì)子還原放氫過(guò)程（2H+→H2），因此總反應(yīng)就是水在光子的照射下發(fā)生了分解，釋放O2和H2(2H2O→O2+2H2）。這一發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步展示在紫外激發(fā)的半導(dǎo)體（單晶Ti O2）光電極/電解液界面發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。以上光解水又常常被稱(chēng)為Fujishima-Honda效應(yīng)。由于這一方法有望在溫和條件下，利用豐富的太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)水的分解以提供潔凈氫能，引起光化學(xué)家和光電化學(xué)家的廣泛興趣。
該技術(shù)無(wú)需借助昂貴的設(shè)備和儀器，技術(shù)成本主要來(lái)源于催化劑及其制備過(guò)程，然而由于獲得的是H2和O2的混合氣體，如要獲取純凈H2，則需進(jìn)行氣體分離，這會(huì)帶來(lái)另外的成本核算。此外，由于產(chǎn)生具有高度爆炸危險(xiǎn)的混合氫氧氣體，因此該技術(shù)的缺陷也是顯而易見(jiàn)的，需要采取有效辦法消除生產(chǎn)過(guò)程的安全隱患。就半導(dǎo)體基光催化分解水制氫而言，1972年，Ti O2光電極在紫外光照下光催化分解水的量子效率僅為0.1%左右，經(jīng)過(guò)不斷地研究探索，2003年報(bào)道的紫外光激發(fā)下La摻雜Na Ta O3光催化劑分解水的量子效率達(dá)到56%[15]。2008年，東京大學(xué)Domen報(bào)道的單一光催化劑體系Rh2-xCrx O3/Ga N:Zn O可見(jiàn)光分解水制氫量子效率最高紀(jì)錄已提高至5.9%[16]，通過(guò)Z-Scheme雙光催化劑體系（Pt-Zr O2/Ta ON,Pt/WO3）的可見(jiàn)光分解水制氫量子效率達(dá)到了6.3%[17]，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦等通過(guò)構(gòu)建Mg Ta2O6-xNy和Ta ON之間的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，大幅度提升了二者之間的電荷傳遞效率，以該催化劑作為產(chǎn)氫光催化劑，與產(chǎn)氧光催化劑WO3耦合，其Z機(jī)制分解水的效率得到了有效促進(jìn)，可見(jiàn)光下分解水的表觀量子效率提升至6.8%，為目前文獻(xiàn)報(bào)道的Z機(jī)制分解水體系的最高效率[18]，但該效率離實(shí)際應(yīng)用所要求的太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%的目標(biāo)仍有一定差距。此外，該團(tuán)隊(duì)還提出具有原創(chuàng)性的“相結(jié)”“雙助催化劑”等概念構(gòu)建了一系列高效的光催化劑，例如以雙助催化劑理論構(gòu)建的三元光催化劑（吸光材料、氧化助催化劑和還原助催化劑）Pt/Pd S/Cd S在以硫化物為犧牲試劑的體系里，創(chuàng)造了高達(dá)93%的最高產(chǎn)氫量子效率[19]。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]太陽(yáng)能光催化制氫研究進(jìn)展[J]. 溫福宇,楊金輝,宗旭,馬藝,徐倩,馬保軍,李燦. 化學(xué)進(jìn)展. 2009(11)
本文編號(hào)：3239921
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