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光解水催化劑效率接近100%，是如何實現(xiàn)的？
發(fā)布時間：2020-11-10 瀏覽量：7378
80年代末，國際上出現(xiàn)了光解海水制氫的方法，以激光誘導(dǎo)MOCVD制膜技術(shù)有所突破，制成新型的金屬/半導(dǎo)體/金屬氧化物光電化學(xué)膜，用此種膜作為海水電解的隔膜，能使海水分離制得氫和氧，其電耗低，轉(zhuǎn)換效率已達10％左右，此方法已引起各國科學(xué)家的關(guān)注。
最近，日本的科研人員傳來新消息，來自東京大學(xué)、信州大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，用光分解水的效率（EQE）高達96%。
96%效率意味著什么？
研究表明，如果太陽光催化分解水的效率達到10%，就能具備經(jīng)濟上的競爭力。但是，光催化半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率通常遠低于10％。這是因為光催化過程非常復(fù)雜，并且要求半導(dǎo)體顆粒具有多種特性的組合。
一方面是對光催化設(shè)備的要求比較高，中教金源發(fā)布CEL-PE300-4A方斑氙燈光源，采用PerkinElmer300W燈泡，實現(xiàn)了正方形光斑輸出（20*20mm-100*100mm），具備聚光調(diào)焦功能，尤其在氣固催化、光電催化、光化學(xué)、光催化應(yīng)用領(lǐng)域有更好的應(yīng)用。
其二是要實現(xiàn)高效率地光解水，催化劑的要求同樣重要，需要做到以下幾步：
吸收光；
產(chǎn)生并分離電子-空穴對；
使空穴和電子傳播到催化劑與水的交界面；
從水中催化產(chǎn)生氫和氧。
以上每個步驟中可能發(fā)生的副反應(yīng)都有可能降低整體的轉(zhuǎn)換效率，為了衡量催化劑光解效率，科學(xué)家們定義了2個物理量：內(nèi)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來分解水，那么IQE=100%。
但是IQE很難直接測量，這時候就要用到EQE。EQE是指照射反應(yīng)容器的光子的效率。
水分子里有兩個氫氧鍵，光分解就是用光子切斷這兩個化學(xué)鍵。
如果效率達到100%，那么只要兩個光子就能切斷兩個氫氧鍵，產(chǎn)生一個氫分子（H2）。
所以EQE的定義為產(chǎn)生的氫原子數(shù)量（也就是氫分子數(shù)量2倍）與照射光子數(shù)量的比值：
EQE一般低于IQE，不難想象，照射反應(yīng)容器的光不一定全被水吸收，還會有一部分損耗。而日本科學(xué)家做到了EQE≈96%，證明了IQE接近100%，被水吸收的光子幾乎沒有浪費，全部被用來分解水分子了。
光解水的研究是一項艱巨的工作，雖然近期取得了一些進展，但是還有很多工作需要進一步研究，如研制具有特殊結(jié)構(gòu)的新型光催化劑、新型的光催化反應(yīng)體系，對提高光催化性劑性能的方法進行更加深的研究等，這些都是今后光解水的研究重點。