半导体光催化太阳能电解水制氢的研究与进展

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半导体光催化太阳能电解水制氢的研究与进展半导体光催化太阳能电解水制氢的研究与进展
张海鹏，陈卫军，徐军明，林弥，杨柳，李文钧
杭州电子科技大学电子信息学院，杭州（310018）
E-mail：islotus###163.com
摘 要：首先概述了主要的太阳能制氢技术，然后依次分别综述了半导体光催化水解制氢技
术、太阳能光伏电解水制氢技术、半导体光催化电解水制氢技术发展障碍的研究现状，总结
了近年来这几方面技术研究的发展规律， 指出了太阳能及混合动力半导体光催化电解水制氢
将成为氢能产业的主要技术路线之-。最后预测了这几方面技术研究可能的主要发展趋势。
关键词：半导体；光催化；太阳能；电解水；制氢；改性
中图分类号：TN304.91TB34TE624.9TK511.4TE09 文献标识码：A


0 引言
氢能具有高效、清洁、无污染、易于产
生、 便于输运和可再生等特点，是最理想的能
源载体。因此，氢能将会成为未来化石能源
的主要替代能源之-，利用可再生能源制取
氢气是未来能源发展的必然趋势[1]
。水和阳
光可称是取之不尽的资源。从水中获得的氢
作为能源使用后又回到了水的形态，是-种
完全的可持续开发和利用。水在化学热力学
上是-种十分稳定的化合物，很难分解。但
是水作为-种电解质又是不稳定的，其电解
电压仅为1.229eV。因此把太阳能先转化为
电能，通过电化学过程可实现光电分解水制
取氢气的目的。随着光伏电池效率的提高和
成本的降低以及电解槽技术的成熟，利用太
阳能转化的电能进行电解水制氢将成为氢
能源开发的重要途径之-。
1 概述
目前，太阳能制氢技术主要有：太阳能
电解水制氢，太阳能热化学制氢，太阳能光
化学制氢，太阳能光解水制氢，太阳能热解
水制氢和光合作用制氢[2]
。
太阳能电解水制氢系统采用光电池、电
解电极和电解池构成，制氢的方法分两步：
第-步是通过太阳电池将太阳能转换成电
能，第二步是将电能转化成氢，构成所谓的
太阳能光伏制氢系统。由于太阳能-氢的转
换效率较低，在经济上太阳能电解水制氢至
今仍难以与传统电解水制氢竞争。在太阳能
电解水制氢的装置中，多采用硅电极，用磷
渗渍成负极，硼渗渍成正极。或采用氧化铁
作电极，用镁渗渍及硅渗渍分别形成正负
极。当阳光照射在光伏转换装置上时，便会
产生氢和氧。但是光-氢转换效率低。
太阳能热化学制氢技术较成熟、产量
大、成本低，但是需要复杂的机电设备、强
电辅助、高温条件和耐高温材料，常规耗能
高，效率较低且伴有环境污染。
太阳能光化学制氢利用乙醇、光敏剂和
催化剂实现光化学分解实现，目前还不够成
熟，光-氢转换效率还很低。
太阳能热解水制氢需要2000℃以上的
超高温，装置结构复杂、造价昂贵，光-氢
转换效率很低，制氢技术不够实用。
利用光合作用制氢技术还处于探索阶
段，微生物产氮化酶、氢化酶效率低，氮化
酶、氢化酶的热稳定性不好、寿命太短，因
而还有待进-步研究。
太阳能光解水制氢采用半导体光敏催
化剂分解水制氢，由于缺乏可见光敏和宽谱
线光敏催化剂，光-氢转换效率还比较低。
近几年太阳能光解水制氢技术的迅猛发展
和巨大突破，有可能在未来二三十年内逐步
走向实用化，使太阳能光解水制氢产业化成
为现实。
太阳能光解水制氢的主要途径有光电
化学法、均相光助络合法和半导体光催化
法。其中，以半导体光催化法最经济、清洁、