光催化方法學

① 福州大學光催化研究所的研究方向

1、 光催化機理的研究與新型高效光催化劑的研製； 2、 光催化技術在空氣凈化和污水處理等環保領域的應用研究；
3、 光催化功能材料的研究與開發；
4、 光催化技術在家用電器及保鮮方面的應用研究；
5、 納米光電材料的研究與應用

② 光催化降解有機物屬於分析化學嗎

不屬於分析化學。
分析化學是關於研究物質的組成、含量、結構和形態等化學信息的分析方法及理論的一門科學。光催化一般研究催化劑和環境對催化活性的影響，也是催化的一種，而催化是分在物理化學中的。
當然，也有一些相關學科，比如合成光催化材料，可以屬於材料學或無機化學專業，研究有機物分解過程和產物，可以算作有機化學，等等。

③ 如何測定光催化制氫中的量子產率與量子效率

太陽能光催化分解水制氫體系能量轉換效率及量子產率的實驗測定與計算

張耀君

,郭烈錦,延衛,趙亮,楊鴻輝,李明濤,許雲波

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,西安710049;西安建築科技大學材料學院,西安710055)

0前言

染帶來的巨大壓力,國際能源署及美國能源部正在

積極部署從烴經濟向氫經濟轉變的未來能源戰[1～3]略。所以國際上有關太陽能光催化分解水制氫的研究正處於十分活躍的發展時期,但存在的主要問題之一是太陽能的能量轉換效率及H2的量子產率的計算缺乏較規范的標准,計算方法不統一,文獻的結果之間很難進行橫向比較。此外,許多文獻缺少能量轉換效率的研究報道。本文參考國際能源署、美國能源部的有關資料及相關學者的研究成

果,結合本實驗室的工作,提出了利用已知

量子產率的化學光量計測定模擬光源光子數絕對值的實驗方法,並給出了太陽能光催化分解水制氫體系的能量轉換效率及產H2的量子產率計算公式。

[1～8][9～10]

1實驗測定方法

111葯品及儀器

實驗所用葯品及試劑均為分析純,樣品的光子數絕對值測定是在U4100型紫外2可見近紅外分光光度計(日本HITACHI公司)上完成。

光源為300W的準直高壓汞燈(常州玉宇電器件有限公司),其物理參數如表1所示。

表1高壓汞燈的物理參數功率ΠW

300

啟動電流ΠA

414

工作電流ΠA

315

工作電壓ΠV

220

外徑Πmm<18±1

有效弧長Πmm

120±5

全長Πmm

210±5

接線方式單端引出

2+

112基本原理

4-1-1

收(ε10L?mol?cm),用分光光度計進max=1111×

將一定濃度的K3[Fe(C2O4)3]水溶液放入比色皿中,該溶液吸收一定波長的光之後,Fe被還原為Fe

2+

3+

。

[Fe(C2O4)3]

2+

3-

νh

[Fe(C2O4)2]

2-

+2CO2

行定量分析。波長不同,每個光子反應生成Fe的量子產率亦不同,254～436nm時,量子產率平均112。當λ>436nm,則量子產率按1111計算。113化學光量計測定光子數絕對值的實驗方法將硫酸鐵銨和草酸鉀溶液以摩爾比為1∶2配製成300mL(V0)的溶液加入到光反應器中(圖1),用

還原生成的Fe加入1,10—鄰菲羅啉顯色劑後,形成紅色的絡合物溶液,在波長為510nm處有最大吸

收稿日期:2005208230基金項目:高等學校博士學科點專項科研基金(No120050698034);

國家重點基礎(973)研究發展項目(No12003CB214500)

1114太陽能學報27卷

300W準直高壓汞燈照射20s。從V0中取5mL(V1)

溶液放入50mL(V2)棕色容量瓶中,加入10mL鄰菲羅啉溶液,再加入10mL緩沖溶液,稀釋至50mL後放置於暗處30min,每次取3個平行樣,用分光光度計在波長510nm處測定其吸光度At。再取不同樣品改變照射時間,重復上述實驗步驟。最後取未照射的硫酸鐵銨和草酸鉀混合液5mL放入另一50mL(V2)棕色容量瓶中,加入10mL鄰菲羅啉溶液,再加入10mL緩沖溶液,稀釋至50mL後放置於暗處30min。每次取3個平行樣,用分光光度計在波長510nm處測定其吸光度值A0

。

H2O

hν

H2+1Π2O2E=11229V(1)

212太陽能光分解水制氫體系的閾值能或帶隙能

與任何轉化過程一樣,太陽能光催化產氫的能量轉化效率是十分重要的。但其理論效率是由轉化

過程的屬性所決定。太陽能光催化過程受到帶隙能所限制。所有太陽能光催化過程都涉及到吸光劑的電子從一種基態到一種激發態的激發過程。吸光劑可以是一種分子也可以是一種半導體。吸光劑的特點是有一個確定的閾值能(DefiniteThresholdEnergy)或帶隙能(BandgapEnergy)Ug。

λUg=hcΠg

(2)

式中,h———;c—光速;λ——吸收邊g—λgλ,;λ≤g的所有,但是過剩的能量(Uexce=U-Ug)在吸光劑馳豫到Ug的能級時以熱的形式損

失掉。

213太陽能轉換的極限效率

ηp=

μexconvJgΔEs

(3)

λ式中,Jg———在λ≤g時吸光劑吸收的光通量;Δμex———激發態的化學勢或吉布斯自由能;φconv———將光子轉化為化學產物的量子產率(Quan2tumyield);Es———入射太陽光的總輻照度,W?m

圖1光量子數絕對值測試裝置-2

。

Jg可通過下式計算:

Jg=

2太陽能能量轉化效率及相關概念和

∫

λ

min

λ

g

)Es(λ

dλ(hcΠλ)

(4)

-2

理論

211太陽能光催化分解水制氫體系分類

)—式中,Es(λ——入射太陽光的波長輻照度,W?m

?nm

-1

λ—;hcΠ——波長為λ的光子能量。Bolton認為

太陽能轉換的極限效率對於單光體系約為31%,對雙單光體系約為42%。

214標准狀態下太陽能轉化成可儲存的化學能的

太陽能光解水制氫體系大致可分為光化學體系、半導體體系、光生物體系、復雜體系4種類型。此外,Bolton等提出了太陽能光解水制氫的單光體

系(Singlephotosystem)及雙光體系(Dualphotosys2

[1]

tem)。單光體系的定義是在單一的光體系中,一

效率

通過太陽光子的驅動將部分太陽光能以反應產物如氫的化學能形式儲存起來,如太陽光輻照下的光催化分解水反應,在這樣一種化學反應中,太陽能轉化成化學能的效率定義為:

ΔG0HRH

ηc=

EsA

種能量的光子被吸光劑所吸收耦合成一個光轉化過程。在雙光體系中,兩種能量不同的光子在兩種光體系中同時被吸光劑所吸收耦合成2個光轉化過程。將這2種光體系用於太陽能光催化分解水制氫則有5種具體的方案

[1]

(5)

。

ΔGH2—式中,——生成產物H2時的能量儲存反應的

11期張耀君等:太陽能光催化分解水制氫體系能量轉換效率及量子產率的實驗測定與計算1115

標准吉布斯能;RH2———生成產物H2的反應速率,mol?s

-1

;Es———入射太陽光的總輻照度,W?m

2

-2

;

A———輻照面積,m。Bolton為了強調各種因素對

分解水制氫體系效率高低的重要指標。太陽能光分

解水制氫包含了初級反應,電子轉移及氧化還原反應的復雜過程,能量轉化效率及量子產率受到化學反應熱力學和動力學規律的限制。但我們可根據已知光量計的量子產率,計算單位時間(s)內高壓汞燈產生的光子數及輸出功率,從而求出反應式(1)的能量轉換效率及產氫的量子產率。311Fe絡合物溶液濃度c的計算

2+

ηc的影響,又提出了下述公式:

ηc=ηgηchem<conv

(6)

式中,η——具有U≥Ug能量的光子在入射的太陽g—能輻照中的分數;Ug———光轉換過程中的能量閾

值,在半導體中,Ug是帶隙能;η——化學效率,chem—是激發態能量轉化為可儲存化學能的分數;φconv———將光子轉化為化學產物的量子產率。

其中:

ηchem

JgUg

ηg=Es

ΔGHΠn==

UgUg

按照本文113描述的實驗步驟,輻照樣品與未輻照樣品的吸光度差值A=At-A0;依據Lambert2Beer定律:A=εcL,Femol

-1

(7)(8)

鄰菲羅啉紅色絡合物溶液,

4

在波長為510nm(ε10L?max=1111×

-12+

?),,Fe絡合物溶液濃

2+

度cc=εL

[9～10]

式中,Uloss———0

能量損失,Uloss=Ug-ΔGH2/n,03ΔG2/n—014eV;——n是產物H2的數量,(1)時的光子數(假設φconv=1)。

215非標准狀態下太陽能轉換成可儲存的化學能

H

(11)

312單位時間高壓汞燈產生的光子數

單位時間(s)內汞燈產生的光子數為:

(At-A0)V2V0N??0

n=

εlV1<Fe2+t

2+

(12)

式中,N0———阿佛加德羅常數;ε———Fe的摩爾吸光系數;L———比色皿厚度;ΦFe2+=1121(高壓汞燈λ——高壓汞燈的照射時max=365nm的量子產率);t—間,s。

313單位時間(s)內高壓汞燈的輸出功率計算

W=nhv=n

的效率

在非標准狀態下,如P<1atm時,太陽能轉換成可儲存的H2化學能的效率為:

000-1

ΔΔG0fGJ?molH=(H+ΔfGO)-ΔfGHO(l)=23712k2222

ΔGH2=ΔG0)H-RTln(2

P

λ

(13)

ηc=

ΔGHRHEsA

(9)

式中,h———普朗克常數;c———光速;n———單位時

間(s)內汞燈產生的光子數。

314單位時間(s)內產氫的量子產率計算

2nHN0

n

在光電池化學中,一般需加一偏壓(Biasvoltage)

才能保證產氫反應的進行,則其電功輸出(IVbias)應

從產氫反應的ΔGH2中減掉。太陽能轉換成可儲存的H2化學能的儲存效率應表示為:

ΔG0HRH-IVbias

η=c

EsA

<H2=

×100%(14)

式中,nH2———單位時間氫氣的生成量,molΠs;

(10)

N0———阿伏加德羅常數;n———單位時間(s)內汞燈

雖然ηc可通過(9)式或(10)式計算,但目前使用汞燈或氙燈作為模擬太陽光光源的研究階段,光

源的輸出功率只能通過實驗獲得。

產生的光子數。315能量轉換效率計算

nHΔcHHη=×100%

W

(15)

3太陽能能量轉換效率及產氫量子產

式中,nH2———單位時間內生成氫氣的摩爾數,molΠs;ΔcHH2———HH2的燃燒焓,在標准狀態下等於水的ΔG0——單位時間(s)內高壓汞燈的輸出功率。H;W—2

率的計算方法

能量轉化效率和產氫的量子產率是衡量光催化

1116太陽能學報

H2ΠTR296.

27卷

對於準直高壓汞燈作為光源,用化學光量計測定可見光區的光子數絕對值的實驗方法是在測定體系中加入適量的NaNO2(1molΠL),濾掉波長小於400nm的紫外光。從高壓汞燈的條狀能量分布可知,λ=436,546,577～579nm波長的可見光強度較弱。所

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2+

以,也可改用氙燈作為光催化分解水制氫體系的模擬光源。

4結論

本文建立了一種利用已知量子產率的化學光量計測定模擬太陽光源的光子數絕對值的實驗方法。利用該方法對能量轉化效率及產氫量子產率進行了計算。建立了一套相對規范的能量轉化效率及產氫的量子產率的實驗測定標准及計算方法,在本領域內歸納總結不同研究小組的工作結果,學嚴謹的比較標准大有裨益。

致謝:;感謝973,感謝本課題組。

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1,2

,GuoLiejin,YanWei,ZhaoLiang,YangHonghui,LiMingtao,XuYunbo

111111

(1.,Xi』anJiaotongUniversity,Xi』an710049,China;2.,Xi』,Xi』an710055,China)

Abstract:Thethresholdenergy,.,ogenproctionwerecalculated.

Keywords:efficiencyofenergyconversion;quantumyield;

④ 光化學反應與光催化反應的區別是什麼

催化反應是催化物質不參與反應。光化學反應需要光參與反應，光催化反應中光不參與反應。

⑤ 如果催化劑以很低的成本把水分解成氧氣和氫氣，人類能擺脫能源問題嗎

先說結論：不能。

催化劑只能加速化學反應的發生，但是不能改變化學反應的熱力學性質。由於把水分解成氧氣和氫氣是一個從低能量狀態到高能量狀態的過程，因此把水分解必須要能量的輸入。

綜上，催化劑不能完全解決人類能源的問題。

⑥ 光催化水制氫與光電化學水制氫有什麼區別呢困惑！

光催化水制氫 前面一位已經說得差不多了。就不贅述。

光電化學水制氫有2中方式，一種是光轉變成電（光電池），然後電解水制氫。另一種更直接，在電解水的時候電極上塗有催化劑，在光照條件下可以起到輔助作用，減少耗電量。叫光助電解水。相當於把光電池與電解池結合到一起了，這一個的效率會比光解水高，耗電比電解水低，因此是很不錯的發展方向。

⑦ 國內外光催化理論研究現狀是怎樣的

你這個問題就算給2000分都不一定有人會回答啊，本來光催化做實驗的居多，理論計算的就很少，何況還要提及研究現狀。
目前我所知道的理論研究有兩類，一類是針對密度泛函第一性原理對光催化材料進行的各種預測（禁帶寬度，導帶，價帶位置，電子雲，晶面暴露的表面能等），另一類就是對光催化反應過程中設計的化學反應進行研究。其他的我也就不知道了

⑧ 光催化的原理什麼

光催化原理是基於光催化劑在光照的條件下具有的氧化還原能力，從而可以達到凈化污染物、物質合成和轉化等目的。

通常情況下，光催化氧化反應以半導體為催化劑，以光為能量，將有機物降解為二氧化碳和水。因此光催化技術作為一種高效、安全的環境友好型環境凈化技術，對室內空氣質量的改善已得到國際學術界的認可。

(8)光催化方法學擴展閱讀

光催化有機合成反應的特點如下：

①光是一種非常特殊的生態學上清潔的「試劑」；

②光化學反應條件一般比熱化學要溫和；

③光化學反應能提供安全的工業生產環境，因為反應基本上在室溫或低於室溫下進行；

④有機化合物在進行光化學反應時,不需要進行基團保護；

⑤在常規合成中，可通過插入一步光化學反應大大縮短合成路線。 因此，光化學在合成化學中，特別是在天然產物、醫葯、香料等精細有機合成中具有特別重要的意義。

⑨ 光化學氧化法：光催化氧化在處理廢水時有哪些優缺點

光催化氧化的優點：
(1)反應條件溫和、氧化能力強。
(2)在染料廢水、表而活性劑、農葯廢水、含油廢水、氰化物廢水、制葯廢水、有機磷化合物、多環芳烴等廢水處理中，都能有效地進行光催化反應，使其轉化為無機小分子，達到完全無害化的目的。
(3)光催化氧化反應對許多無機物，如CN-、Au(CN)2-、I-、SCN-、Cr2O72-、Hg(CH3)2、 Hg2+等的去除也有廣闊的應用前景。
(4)可以破壞氰化物，以及電鍍常用的各種有機螯合劑和添加劑，而達無害化。
(5)可以除去各種水中的微生物、細菌和黴菌。
(6)不僅可以破壞稀溶液(廢水)中的有機物，而且可以破壞濃溶液(槽液)中的有機物。
(7)是一種非常清潔的干處理法，不會引入任何其他物質到體系中。
(8)能徹底破壞有機物而使其轉化為CO2排出，處理的深度比其他方法高。
光催化氧化的缺點：
(1)紫外光的吸收范圍較窄，光能利用率較低，其效率還會受催化劑性質、紫外線波長和反應器的限制，短波紫外線(波長小於1700 A)比長波的效果好，但短波紫外光較難獲得。
(2)光催化氧化需要解決透光度的問題，因為某些廢水(如印染廢水)中的一些懸浮物和較深的色度都不利於光線的透過，會影響光催化效果。
(3)目前使用的催化劑多為納米顆粒(太大時催化效果不好)，回收困難，而且光照產生的電子一空穴對易復合而失活。