太阳能光解水的途径李树本太阳能是最干净而又取之不尽的自然能源。
自地球上出现生命以来,太阳即以万物之母的宽大胸怀,通过光合作用把她的温暖洒向大地抚育着万物生长。
光合作用是绿色植物和藻类在可见光作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程。
人类赖以生存的能源和材料都直接和间接地来自光合作用。
石油、煤和天然气等化石燃料就是自然界遗留给我们的光合作用产物。
七十年代初,由于石油短缺引起的能源危机,极大地激发了人们对光合作用及其模拟的研究兴趣。
只从能源考虑,光解水制氢是太阳能光化学转化与储存的最好途径。
因为氢燃烧后只生成水,不但不会污染环境,而且是便于储存和运输的可再生能源。
从化学热力学上讲,水作为一种化合物是十分稳定的。
要使水分解为氢和氧是一个耗能极大的上坡反应,由于受热力学平衡限制,采用热催化方法很难实现。
但水作为一种电解质又是不稳定的,根据理论计算,在电解池中将一个分子水电解为氢和氧仅需要1 23V。
如果把太阳能先转化为电能,则光解水制氢可以通过电化学过程来实现。
绿色植物的光合作用就是通过叶绿素吸收太阳光,再把光能转化为电能借助电子转移过程将水分解的。
据此,太阳能分解水制氢可以通过三种途径来进行。
从太阳能利用角度看,光解水制氢主要是利用太阳能中的光能而不是它的热能,也就是说,光解水过程中首先应考虑尽可能利用阳光辐射中的紫外和可见部分。
下面就三种主要途径,从原理上进行简要介绍。
(1)光电化学池(PEC),即通过光阳极吸收太阳能并将光能转化为电能。
光阳极通常为光半导体材料,受光激发可以产生电子 空穴对。
光阳极和对极(阴极)组成光电化学池,在电解质存在下光阳极吸光后在半导体导带上产生的电子通过外电路流向对极,水中的质子从对极上接受电子产生氢气。
光电化学池法的优点是放氢放氧可以在不同的电极上进行,减少了电荷在空间的复合几率。
其缺点是必须加偏压,从而多消耗能量。
此外,由于电池结构比较复杂,难以放大。
为此,有人建议采用固态电解质制成固态电解质电池(SE C),但材料比较昂贵很难大量推广应用。
