在當前能源與環(huán)境問題日益突出的大背景下,，尋找清潔可持續(xù)的新能源替代傳統(tǒng)化石能源正受到人們越來越多的關(guān)注,。這其中，氫能以其*清潔燃燒的優(yōu)勢占據(jù)著重要地位,。傳統(tǒng)的工業(yè)制氫主要是通過甲烷重整制得：
CH4+H2O→CO+3H2(1) CO+H2O→CO2+O2(2)
既消耗化石能源,，同時又排放了CO2溫室氣體，給能源和環(huán)境問題帶來壓力,。1972年,，日本科學(xué)家A.Fujishima和K.Honda*采用光電化學(xué)法利用TiO2吸收太陽能把水分解為氫氣和氧氣，提出了光分解水制氫的概念,，從此吸引了眾多研究者開展廣泛而深入的研究,。
光分解水制氫的原理
光分解水制氫在熱力學(xué)上是Gibbs自由能增大的過程：
因此又被稱為人工光合作用。
光分解水制氫的本質(zhì)是半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),。當入射光的能量大于等于半導(dǎo)體的能帶時,，光能被吸收，價帶電子躍遷到導(dǎo)帶,，產(chǎn)生光生電子和空穴,。電子和空穴遷移到材料表面，與水發(fā)生氧化還原反應(yīng),，產(chǎn)生氧氣和氫
氣
光分解水制氫主要包括3個過程,，即光吸收,、光生電荷遷移和表面氧化還原反應(yīng),。
(i) 光吸收。對太陽光譜的吸收范圍取決于半導(dǎo)體材料的能帶大小: Band gap(eV)=1240/λ(nm),，即帶隙越小吸收范圍越寬,。對于光催化制氫催化材料來說，還要求導(dǎo)帶的位置高于H+/H2(0V vs. NHE),，價帶位置低于O2/H2O(1.23 V vs. NHE),，因此理論上要求能帶大小不小于1.23 eV,。
(ii) 光生電荷遷移。材料的晶體結(jié)構(gòu),、結(jié)晶度,、顆粒大小等因素對光生電荷的分離和遷移有重要影響。缺陷會成為光生電荷的捕獲和復(fù)合中心,，因此結(jié)晶度越好,，缺陷越少，催化活性越高,。顆粒越小,，光生電荷的遷移路徑越短，復(fù)合幾率越小,。
(iii) 表面氧化還原反應(yīng),。表面反應(yīng)活性位點和比表面積的大小對這一過程有重要影響。通常會選用Pt,、Au等貴金屬納米粒子或NiO和RuO2等氧化物納米粒子負載在催化劑表面作為表面反應(yīng)活性位點,，只要負載少量此類助催化材料就能大大提高催化劑的制氫效率。
光催化制氫效率表征的兩種方式
目前研究光催化劑的制氫效率主要通過兩種方式表征,，及光催化分解水(photocatalytic water splitting) 和光電化學(xué)分解水(photoelectrochemical water splitting),。
光催化分解水是將粉體催化劑分散在水中。這種方法的優(yōu)點是可以大規(guī)模應(yīng)用,，但是有氫氣和氧氣難以分離的問題。為此又發(fā)明了兩步法,，即采用兩種催化劑，分別產(chǎn)生氫氣和氧氣,，并通過一種氧化還原電對將這兩種催化劑聯(lián)系起來。這種方法不僅避免了氫氣和氧氣的分離問題,，而且降低了催化劑能帶位置的要求,，催化劑的選擇面更寬，但是也帶來了與氧化還原電對的逆反應(yīng)問題,。一步法將水直接分解為氫氣和氧氣對催化劑的要求較高，因此往往加入犧牲劑來獲得氫氣或氧氣,。犧牲劑的作用是消耗光生空穴或電子，比如甲醇、乙醇,、乙二醇、乳酸等是常用的制氫犧牲劑,，而AgNO3是常用的制氧犧牲劑,。
光電化學(xué)分解水是將催化劑制成電極，與對電極通過導(dǎo)線相連,，通常還會加一個偏壓。若半導(dǎo)體材料為n型,，則在催化劑電極處產(chǎn)生氧氣，對電極處產(chǎn)生氫氣,；若半導(dǎo)體材料為p型，則相反,。
光催化分解水裝置
粉體催化劑分散在水溶液中制氫,，需通過收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體量來評價催化劑的催化性能,。目前常用的裝置包括反應(yīng)器、氣體取樣部,、氣密循環(huán)系統(tǒng)以及抽真空裝置,，氣體取樣部與氣象色譜相連，可以實時在線檢測氣體的產(chǎn)生量,。光源為高壓汞燈（紫外光為主）或氙燈（可見光為主）,，通過附加濾光片或濾光溶液得到所需波段的光源。由于氣體的特殊性,，因此對裝置的氣密性要求較高,，操作過程中通過
轉(zhuǎn)動特殊設(shè)計的閥門來控制,。我們組在裝置上不斷創(chuàng)新改進，目前使用的第三代裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊,，操作更加方便,，為開展研究創(chuàng)造了非常好的條件。
光解水制氫 需要的設(shè)備光源為高壓汞燈（紫外光為主）或氙燈（可見光為主）+GC+冷水循環(huán)系統(tǒng)
PLS-AL150300波長連續(xù)可調(diào)光源
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