太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)換熱力學(xué)

材料熱ThermodynamicsandKineticsof 樓電話 代工程與應(yīng)用科學(xué)料科學(xué)與工系扎實的專業(yè)知識(IQ, ligence邏輯思維能力 Quotient即對事物進行觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、能力，采用科學(xué)的邏輯方法,準(zhǔn)確而有條理地表達自己思維力快速切入一個新領(lǐng)域的方法和能力 Quotient問題-已有的解決方法有哪些、優(yōu)缺點-提出自己的策敢于面 (AQ，Adversity樂觀的人生態(tài)度，積極 Quotient)(FQ,Financial 知識、經(jīng)驗和創(chuàng)造力的3課程參主要參考 《材料熱力學(xué) ，高等教 輔助參考資 KineticsofMaterials，RobertW.Balluffi,M.Allen,W.CraigCarter,JohnWiley& 課程提第一講能光化學(xué)轉(zhuǎn)換熱力學(xué)與動力學(xué)第二講二組元材料的熱力學(xué)變熱力第四材料熱力學(xué)平衡熱力學(xué)第六講非平衡熱力學(xué)5第一 能光化學(xué)轉(zhuǎn)換熱力學(xué)與動力潛在的未來可用能源轉(zhuǎn)換 與利能化學(xué)轉(zhuǎn)換中的熱力學(xué)與動6人類社會的發(fā) 兩大問能石油，煤炭傳統(tǒng)能源石 1萬億天然氣120萬億立方米 石 45-50天然 50-60煤 200-220

環(huán)境問溫室效實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須開發(fā)新型清潔可再生能源 能源領(lǐng)域的三大熱力學(xué)第能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑 只可以從一個物體傳遞給另一個物體,而且能量的形式也可能源轉(zhuǎn)能-能-能-能-

能化學(xué)能 儲

能源利 8潛在的未來理想能核聚變再生能源分布 能占水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能等不到非再生能源：利用海水中的氘資源產(chǎn)生的人 能(聚變核能)幾乎100%，煤炭、石油、天然氣、裂變 加起來也不足千萬分之一能源利用的特點：多元化、相互熱力學(xué)第二定律：熵增定 未來新能源-人 (受控核聚變國際熱核聚變反應(yīng)裝置極向場線圈1/極向場線圈2/的最大國際

/極向場線圈3極向場線圈4極向場線圈4/極向場線圈6/時間表：（歐盟 ，中國 ，韓國，俄羅斯 1985年 合作， 1998年 退出2001年-鼓勵其他熱心研究的國家參 又回來，6月韓國加入，12

極向場線圈5/2001年-成功完成ITER工程設(shè)計活動(ITER-EAD),通過了新的設(shè)計(ITER-2004年-正式建立啟動ITER國際聚變能組織2005年-選定ITER將落坐在法國的 2006年 加入ITER協(xié) 2014年–點火實能利用的一些不利能的能量密度低 常數(shù)1.37kw/m2 和使用帶來許多技術(shù)上和經(jīng)濟上目 能利用技術(shù) 能量轉(zhuǎn)化率低這一難能轉(zhuǎn)換與解決能源和環(huán)境問題的兩個潛在能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換途光催化分解水產(chǎn)光催化還原 碳能量利用方式更靈 基于 的能源循水氫氣使用產(chǎn)物為

光催化分解氫

氫氣使

氫 基于碳 的能源循實現(xiàn)碳中和(Carbon-Neutral)的能光催化技術(shù)的特點與能量由低密度到高密度；方便使用與輸直接實 能轉(zhuǎn)換為什么不 電池電解水制氫成本高：1.半導(dǎo)體電池固-固異質(zhì) 人工光合

之光催化分解 WaterWater+Sun+Photocatalyst=《水 ＋光催化材料＝能源能光化學(xué)轉(zhuǎn)換基本

Chemical△G=273Uphill目標(biāo)：實現(xiàn)光能到轉(zhuǎn)換媒介：半導(dǎo)體光催化反應(yīng)是利用半導(dǎo)體材料吸產(chǎn)生的電子-空穴對誘發(fā)氧化與還原

儲能反應(yīng)液態(tài)水是無定形態(tài)的電子絕緣體，雖然由于其無定型的本導(dǎo)致其沒有清晰的帶邊位，但其電子能帶結(jié)構(gòu)基本金屬氧化物類似。其導(dǎo)帶由H1s軌道組成，價帶由O2p軌道組成，帶隙大于J. .Chem.,122(1981)73-- OH 需要很高的活化能（9eV）J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys.40(2007)1225-

只需要390nm的即可分Uphill半導(dǎo)體光催化制氫HH2OH2+G0=238kJ/mol(E=-Go/nF=-1.23-

e-e-e-e-Bandh+h+h+h+Valence

of andControlofreverse光催化反應(yīng)包括光生電子-空穴對的(a)當(dāng)入射光子能量大于半導(dǎo)體帶隙時，可以激發(fā)價帶(VB)的電子躍遷到導(dǎo)帶(d)沒有發(fā)生(e)沒有發(fā)生復(fù)合的空穴與表面吸附的電子給體作用發(fā)生氧化反應(yīng) 粉末光催化分解

Chemical△G=273本質(zhì)：電粉末光催化分解水制 光

光電化學(xué)分解 光下海水關(guān)鍵科學(xué)問題與研究如何使得光催化材料的帶隙與可見光能量匹配如何使光催化材料的能帶位置與反應(yīng)物電極電位匹配科學(xué)問題：如何降低光生電子-空穴的復(fù)合率，提高量子轉(zhuǎn)換效率如何解決光腐蝕，提高材料穩(wěn)定性 能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換效 半導(dǎo)體光催化制氫熱力學(xué)限制光催化材料的帶隙與

能轉(zhuǎn)換效率理論值（紅色）30突破熱力學(xué)效率限制 光-熱-特定波長輻射光-光催化材料的能帶位置與在滿足反應(yīng)熱力學(xué)需求的基礎(chǔ)上擴展光吸收粉末雙光子體系光催化分解決氧化還原電位不匹配，實現(xiàn)寬光譜吸收利用的最佳光催化材料的氧化物：ZnOCu2O氮化物：Ta3N5,氧氮化物：TaON,硫化物：CdS,硒化物磷化物：InP,含Ag

ZnO+ +1?半導(dǎo)體光催化制氫反應(yīng)動力學(xué)限制能到氫能的轉(zhuǎn)

0

I0：為入 光的功量子效率或光電轉(zhuǎn)換效率定義為入射的單色光子至電子的轉(zhuǎn)換其中λ為入射的單色光子的波長（單位為P為光強（單位為μWcm-Jp為光電流密度（單位為μAcm- 降低體相復(fù)IPCE=ηabs?ηsep?異質(zhì)結(jié)：形成內(nèi)建電

內(nèi)內(nèi)部極B=Sn(ii)orPb(ii) X=Cl,Bror提高遷移率，提升qLP 有效質(zhì)降低電荷的有效質(zhì)量會提升其擴水氧化反應(yīng)是水分解反應(yīng)的速率限定改進方法：降低反應(yīng)勢壘，提高反應(yīng)動力學(xué)，避免電荷累粉末體

薄膜體提高化學(xué)穩(wěn)定性-延透光，穩(wěn)定，高電子遷移 人工光合之光催化還原CO2碳轉(zhuǎn)換CO2為生物質(zhì)，并提供O2是自然界生命保障的基本條件之光合作用的本質(zhì)：CO2為碳基能源，同時為生物體提供氧氣光催化還原CO2 CO2+8H++8

CH4+E=-0.24eV,8ee-

4e

4H++4E=+0.81eV,Multi-electronNaturalphotosynthesisandArtificial人工光合單一材CO2捕高低低效(430-640-高接近低產(chǎn)多C高能產(chǎn)C1化合物為小于1（小于能光催化轉(zhuǎn)換：氣體捕獲差，量子效率低，反應(yīng)選光催化還原CO2-應(yīng)密閉空間內(nèi)移除CO2并提供O2是生命保障的基本條

光催化反應(yīng)選 CO2捕獲-分離-氣態(tài)排缺點：1.不能氣態(tài)CO2

光催化轉(zhuǎn)化CO2為液態(tài)產(chǎn)物同特點：1.產(chǎn)物之一為氧2.可還原CO2WhatkeyscienceproblemsdoweneedtoSolar

ChemicalCO2 andQuatumnefficiency ,charge and ,Catalytic ofProductsCO2 andsurfaceareagasabsorptchargedcarriers ColloidalmesoporoustemplateroutetomesoporousAcid NxM- KorNa:colloidal PhaseMesopore

S.C.Yanet.al.Angew.Chem.Int.Ed.2010,49, mun.2010,46, mun.2011,47,S.C.Yanetal.Adv.Funct.Mater.2013,S.C.Yanetal.Adv.Funct.Mater.2013, ColloidalmesoporoustemplateroutetoMeso-NaGaO2+

Meso-SBET=Quatumnefficiency(charge ande-

8e

O2+4H++ L

highholemobilityisbenificial promotingthewater qm

Adjustingbandstructure:solidholeholeeffectiveAnusefulindicator:HoleeffectiveE(k)=where,EisthebandkisthehisthePlanckandmhistheholeeffective

Crystalfacetswithdifferentatomdistribut swillinducedifferentenergybandandthushaveadifferentholeeffectivemass.HoleeffectivemassHoleeffectivemasscalculatedbyab{100}facets：{110}facets{111}facetssingleAlight-holeeffectivemassusuallyinducesthehighholemobility,whichisbeneficialforpromotingthewateroxidat toprovideprotonsfor CO2CO2 to11ZnGa2O4nanocube:0.16Meso-

O2:CH4=7.5:1,reverse byholeCatalytic ofNovel IndustrialwastegasCO2,H2S,Cl2,HCl,

e-

8e

multielectronprocess,difficultin?H2O:G= S+2H++ E0=+0.266

G/2F?H2S:G=33.44G/2F=CO2+8H++ CH4+2H2OE0=-0.24ProductsWhyitiseasytoobtaintheCH4 profilesofthestandardThermodynamics:easy,G=1.06eVovertheTiorCr-modifiedKinetics:difficult,8M.S.Hamdyet.al.J.Am.Chem.Soc.2014,136,Productsselectivityovertopotacticphase

N.Y.Wang,S.C.Yan*et.al.Curr.Org.Chem.2013,17,2454S.C.Yanet.al.Chem.Commun.,2010,46,6388

FTIR ProductsselectivityoverspecificcrystalZn2GeO4:specificexposedQ.Liuetal.J.Am.Chem.Soc.2010,132,S.C.Yan mun.2011,47, S.C.Yanet.al.DaltonTrans.,2013,42,常不可再生

石油、天然 能 源可再生能源能源源 可再 能源

水生物質(zhì)地

潮汐不可再二次能源：汽油、焦碳、煤氣、蒸汽、電能能空間太 能發(fā)電是指用火箭 能電池板發(fā)射到太空能電池板在太再將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成微波或激光傳回地并重新轉(zhuǎn)優(yōu)勢：全天候發(fā)

目前需要解降低建造成本，提高電力傳輸效 電力無線傳需要注意的是 須選擇能較好 大氣層的那個波段還要兼顧一定能量的微波輻射傳輸不能傷及人類