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【科普类】太阳能光催化制氢 --能源史上的重大突破
【科普类】太阳能光催化制氢 --能源史上的重大突破
www.dicp.ac.cn    发布时间:2011-10-13 16:06    栏目类别:征文展览

 二室 叶文静

近年来,随着世界能源和环境问题的日益突出,氢能作为一种具有高燃烧值、高效率和清洁的能源越来越受到世界各国人们的广泛关注。太阳能是一种取之不尽用之不竭的资源,如果可以实现利用太阳能光催化制氢,就可以从根本上解决日益严重的能源枯竭和环境污染问题。这一设想一经提出,立即引来了全世界科学家的广泛关注,但是同时,所有的科学家们也马上意识到,太阳能光催化制氢,这是一个美好而又遥远的梦,是化学学科领域里“哥德巴赫猜想”式的难题。只是,即使是遥不可及的梦,也会有人想着要实现它,也会有人愿意为之努力奋斗,因为它值得!

我们知道,水可以分解得到氢气和氧气,但这个过程需要吸收大量的能量,而自然条件下,水对可见光甚至能量更高的紫外光是透明的,并不能直接吸收太阳光能。那么,怎样才能让水吸收到太阳发射出来的能量而发生光解呢?这是科学家们面临的第一个难题。科学家们说,我们需要一种光催化剂,它加入水中后能吸收太阳光能并有效地传递给水分子使水发生光解产生氢。因此,光解水的关键是构筑有效的光催化材料,即光催化剂。最早用到的光催化剂是TiO2,但它本身并不能直接使水分解为氢气和氧气,还需要氧化物或贵金属颗粒等助催化剂的帮助。后来,为了提高光催化效率,科学家们又陆续发现了钛、铌和钽酸盐等光催化剂也可以吸收太阳能催化分解水制氢。这些光催化剂都表现出了较好的光催化效率。它们的发现使得太阳能光催化分解水制氢成为可能,而不再是一个遥不可及的梦。

尽管上面提到的催化剂已取得了很好的结果,尤其是在光催化效率方面,但是它们也存在缺陷:这些催化剂只在紫外光区有催化活性。然而在太阳光谱中,紫外光能(400 nm以下)不到5%,而波长为400 ~ 750 nm的可见光则占到近43%。要想实现太阳能光催化制氢的工业化应用,研究开发在可见光下工作的全新光催化剂是必经之路。光催化的可见光化是科学家们需要解决的又一个难题。好在我们的科学家们都拥有不断探索、坚持不懈的决心,多种可见光响应的光催化剂相继被合成出来,并表现出了很好的光催化效率。值得一提的是,我国的科学家在这方面也做出了极大的贡献,大连化学物理研究所在光催化剂(CdS)表面共担载还原(Pt)和氧化(PdS)双组分助催化剂,发展了 Pt- PdS/CdS三元光催化剂,在可见光照射下,产氢量子效率达到93%,这是迄今为止报道的光催化产氢最高的量子效率。可见光催化制氢在实验室取得成功大大鼓舞了人们的信心,越来越多的化学工作者们投入到太阳能光催化制氢这一具有重大意义的研究课题中来。

此外,随着光催化研究的不断发展,各种新型光催化剂不断被开发出来的同时,也产生了许多不同的反应体系,不同类型的光催化剂有其各自适用的反应体系。目前研究最多的体系是光催化分解纯水制氢体系,除此之外还有光催化分解污染物制氢、光催化重整生物质制氢及人工模拟光合作用制氢等。这些反应体系的成功开发对减少环境污染及能源短缺具有重要的指导意义。

太阳能光催化制氢是一个极具挑战同时具有重大战略意义的课题,经过将近40年的研究开发,已取得了令人欣慰的成果。太阳能光催化分解水制氢的工业化标准为,催化剂能够利用600 nm以下的波长,量子效率大于30%,催化剂寿命在一年以上,虽然目前的研究结果与此目标仍有一段很大的距离,但我们相信,凭着科学家们持之以恒的耐心和勇气,以及长期不断的坚持,那个终点有一天一定会到达!

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