太陽能制氫技術(shù)

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一、前言

隨著地球變暖以及能枯竭等問題的浮現(xiàn)，我們必需利用可再生資源舉行創(chuàng)造二次能源，而太陽能是取之不盡用之不竭的環(huán)保能源，氫能源被目前認為是二次能源中最為抱負的沒有污染的綠色能源。利用太陽能制氫，在能源總量和利用的角度上，可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求，解決目前的能源缺口，這一技術(shù)被越來越多的科學(xué)家所重視。

二、太陽能制氫的技術(shù)分類

1.太陽能電解水制氫電解水制氫是獲得高純度氫的傳統(tǒng)辦法。其原理是：將酸性或堿性的電解質(zhì)溶入水中，以增強水的導(dǎo)電性，然后讓電流通過水，在陰極和陽極上就分離得到氫和氧。目前，世界上已有許多先進的大型電解裝置在運行，一天制氫量在千噸以上，電―氫的轉(zhuǎn)化效率可達.+，以上。太陽能電解水制氫的辦法與此類似。第一步是通過太陽電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，其次步是將電能轉(zhuǎn)化成氫，構(gòu)成所謂的太陽能光伏制氫系統(tǒng)。因為太陽能―氫的轉(zhuǎn)換效率較低，在經(jīng)濟上太陽能電解水制氫至今仍難以與傳統(tǒng)電解水制氫競爭。

2.太陽能熱化學(xué)制氫太陽能熱化學(xué)制氫是領(lǐng)先實現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)的

比較成熟的太陽能制氫技術(shù)之一。它的優(yōu)點是生產(chǎn)量大，成本較

低，許多副產(chǎn)品也是實用的工業(yè)原料。其缺點是生產(chǎn)過程需要復(fù)雜的機電設(shè)備，并需強電輔助。

3.太陽能光化學(xué)制氫

目前光化學(xué)制氫的主要光解物是乙醇。乙醇是無數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，也簡單從農(nóng)作物中得到。在適當條件下，陽光可使乙醇分解成氫氣和乙醛。這里關(guān)鍵是“適當條件”。雖然乙醇比水簡單分解，但反應(yīng)不會自己發(fā)生，乙醇必需汲取大量的光能才會分解。乙醇是透亮?????的，對光能幾乎不直接汲取，必需加入光敏劑。目前，科學(xué)家們選用的光敏劑主要有：二苯（甲）酮等。二苯（甲）酮能很有效地汲取可見光，并通過另一種催化物膠狀鉑使乙醇分解成為氫。然而，二苯（甲）酮也是無色的，只能汲取可見光譜中實用能量的12左右，因此科學(xué)家正在探尋能提高二苯（甲）酮吸光率的新催化物。

4.太陽能光解水制氫

20年以前，化學(xué)家們就提出了用太陽能光解水制氫的設(shè)想，但因為諸多因素的困擾，使得這一設(shè)想向來局限于試驗室中。太陽輻射的波長范圍是0.2-2.6um但在自然條件下并不能發(fā)生上述反應(yīng)，由于水對于可見光至紫外線是透亮?????的，并不直接汲取光能。因此，科學(xué)家們正在設(shè)想往水中加入一些物質(zhì)，試圖通過這些物質(zhì)汲取光能并有效地傳給水分子，使水發(fā)生光解。

5.太陽能熱解水制氫

熱解水制氫，要求溫度高于2000攝氏度，因此用常規(guī)能源是不經(jīng)濟的。若采納高反射高聚焦的試驗性太陽爐可以實現(xiàn)3000攝氏度左右的高溫，從而能使水產(chǎn)生分解，得到氧和氫。但這類裝置的造價很高，效率較低，因此不具備普遍的有用意義。假如將此辦法與熱化學(xué)循環(huán)結(jié)合起來，形成“混合循環(huán)”，大概可以創(chuàng)造高效、有用的太陽能產(chǎn)氫裝

置。

6.光合作用制氫

光合作用制氫目前尚處于探究階段。其原理是利用某些微生物（光合作用細菌）轉(zhuǎn)換太陽能，產(chǎn)生特定物質(zhì)氮化酶和氫化酶，然后再利用這兩種特定物質(zhì)分解水產(chǎn)生氫氣。該技術(shù)的主要障礙是：微生物產(chǎn)生氮化酶和氫化酶的效率不高，氮化酶和氫化酶的熱穩(wěn)定性不好和壽命短等，這些問題有待科學(xué)家們的進一步探究討論，尋覓解決方法。

三、太陽能光解水的技術(shù)難點太陽能光電化學(xué)分解水制氫的技術(shù)難點在于制備高效率、低成本的太陽電池（包括單結(jié)和多結(jié)）。光半導(dǎo)體材料，不管是作成光陽極還是直接懸浮到水中，都存在可見光利用率低的問題。若要使吸光材料對太陽光譜有較好的響應(yīng)，也必需能夠汲取可見光。然而，大多數(shù)吸光波長在可見區(qū)的窄帶半導(dǎo)體，如cds等都很不穩(wěn)定，在光解水體系中，特殊是沒有電子給體存在的條件下，極易發(fā)生光腐蝕。而相對照較穩(wěn)定的寬帶半導(dǎo)體，如Ti02等吸光波長范圍卻在紫外區(qū)。80年月中期，曾有人試圖合成硫化鎢

等新型光半導(dǎo)體材料，但是至今尚未見有關(guān)報道。對光半導(dǎo)體材料，另一個要求是其平帶電位必需和光解水反應(yīng)所需要的能量相匹配。因此，綜合對吸光和電荷轉(zhuǎn)移這兩種功能的要求，新型光半導(dǎo)體材料的挑選也存在相當大的難度。在這方面我國的科研工取得了一定的成果，南京高校的鄒志剛按照材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，考慮到光汲取引起的載流子激發(fā)躍遷、遷移與晶格

振動、自旋狀態(tài)的關(guān)系，首次在世界上發(fā)覺可見光活性的催化劑并應(yīng)用

于光解水制氫。對于金屬協(xié)作物體系，討論重點將放在高效的非貴金屬協(xié)作物光催化劑的合成上。

太陽能光解水的另一個技術(shù)難點是光解水反應(yīng)體系的構(gòu)建。最抱負的光解水反應(yīng)體系，應(yīng)當是由吸光材料和催化劑構(gòu)成的容易體系，吸光材料將光能轉(zhuǎn)化為電能，催化劑用來加速電荷轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng)。

四、結(jié)語

氫是將來最有希翼的清潔高教能源。氫的制取可以通過重整碳氫化合物，氧化碳氫化合物來實現(xiàn)，也可以利用太陽能等可再生能源來制取。利用太陽能制氫是將來通向氫經(jīng)濟