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光解水催化剂效率接近100%,是如何实现的?
发布时间:2020-11-10    浏览量:164

  80年代末,国际上出现了光解海水制氢的方法,以激光诱导MOCVD制膜技术有所突破,制成新型的金属/半导体/金属氧化物光电化学膜,用此种膜作为海水电解的隔膜,能使海水分离制得氢和氧,其电耗低,转换效率已达10%左右,此方法已引起各国科学家的关注。

  最近,日本的科研人员传来新消息,来自东京大学、信州大学的研究者发现了一种新的催化剂,用光分解水的效率(EQE)高达96%。

  96%效率意味着什么?

  研究表明,如果太阳光催化分解水的效率达到10%,就能具备经济上的竞争力。但是,光催化半导体的转换效率通常远低于10%。这是因为光催化过程非常复杂,并且要求半导体颗粒具有多种特性的组合。

  一方面是对光催化设备的要求比较高,中教金源发布CEL-PE300-4A方斑氙灯光源,采用PerkinElmer300W灯泡,实现了正方形光斑输出(20*20mm-100*100mm),具备聚光调焦功能,尤其在气固催化、光电催化、光化学、光催化应用领域有更好的应用。

  其二是要实现高效率地光解水,催化剂的要求同样重要,需要做到以下几步:

  吸收光;

  产生并分离电子-空穴对;

  使空穴和电子传播到催化剂与水的交界面;

  从水中催化产生氢和氧。

  以上每个步骤中可能发生的副反应都有可能降低整体的转换效率,为了衡量催化剂光解效率,科学家们定义了2个物理量:内部量子效率(IQE)和外部量子效率(EQE)。

  如果水吸收的光子全部用来分解水,那么IQE=100%。

  但是IQE很难直接测量,这时候就要用到EQE。EQE是指照射反应容器的光子的效率。

  水分子里有两个氢氧键,光分解就是用光子切断这两个化学键。

  如果效率达到100%,那么只要两个光子就能切断两个氢氧键,产生一个氢分子(H2)。

  所以EQE的定义为产生的氢原子数量(也就是氢分子数量2倍)与照射光子数量的比值:

  EQE一般低于IQE,不难想象,照射反应容器的光不一定全被水吸收,还会有一部分损耗。而日本科学家做到了EQE≈96%,证明了IQE接近100%,被水吸收的光子几乎没有浪费,全部被用来分解水分子了。

  光解水的研究是一项艰巨的工作,虽然近期取得了一些进展,但是还有很多工作需要进一步研究,如研制具有特殊结构的新型光催化剂、新型的光催化反应体系,对提高光催化性剂性能的方法进行更加深的研究等,这些都是今后光解水的研究重点。

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