参考文献
1. Fujishima A, Honda K., Nature, 1972, 238, 37. 2. Kudo A., Sekizawa M., Chem Commun, 2000, 15, 1371. 3. Tsuji I., Kato H., Kobayashi H. et., J. AM. CHEM. SOC., 2004, 126, 13406. 4. Wang-Jae Chun, Ishikawa A. et., J. Phys. Chem. B, 2003, 107(8), 1798. 5. Kudo A., International Journal of Hydrogen Energy, 2006, 31, 197. 6. Ishikawa A., Takata T., et al., J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 2637. 7. Lei Z., You W., et al., Chem Common, 2003, 17, 2142.
•大多数光解水光催化剂仅能吸收紫外线，而紫外线在太阳光中 只占3％左右,最大的太阳光强度在500nm附近。 •就光解水来说，关键在于提高光催化反应的活性及选择性， 并将其激发波长扩展到可见光区，提高对光能的利用率．
光催化剂的结构及工作原理
H2O H2 + 1/2O2 G0 = 238 kJ/mol(E = -Go/nF = -1.23 eV)
J. AM. CHEM. SOC., 2004, 126 (41), 13406.
例三
Diffuse reflection spectra of (AgIn)xZn2(1-x)S2 solid solutions
x：
(a) 0, (b) 0.17, (c) 0.22, (d) 0.29, (e) 0.33, (f) 0.40, (g) 0.5, (h) 1.
Seminar II
可见光催化分解水制氢
学生：詹世景 导师：杨维慎 林励吾
主要内容
研究背景 结构及催化制氢的研究背景
太阳光
H2O
H2
H2O
清洁、高效、安全、可贮存、可运输等诸多优点
•1972年Fujishima和Honda在n-型半导体TiO2电极上发现
了水的光催化分解作用，揭开了光催化技术研究的序幕。
V
Conduction band
-1.0
e- e- e- e- e-
0.0
+1.0
Band gap
+2.0
+3.0
h+ h+ h+ h+ h+
Valence band
最适合的：2.0-2.2 eV
H+ Water
reduction
H2
hv
H+/H2:0V
O2/H2O:+1.23V
O2 Water
H2O oxidation
Chem Commun, 2000, 15, 1371.
例二 -
CB
new VB VB
+
氮氧/ 硫氧化物
Ta5d
Ta5d
3.9 eV
2.4 eV
O2p Ta2O5
O2p+N2p TaON
Ta5d
H+/H2 2.1 eV
O2/H2O
N2p
Ta3N5
J. Phys. Chem. B, 2003, 107(8), 1803.
J. AM. CHEM. SOC., 2004, 126 (41), 13406.
例三
J. AM. CHEM. SOC., 2004, 126 (41), 13406.
结论与展望
通过合适的手段调变光催化剂的能级结构,将其激 发波长扩展到可见光区，提高对光能的利用率。 提高对光能的利用率、光电反应器的设计及催化 剂活性的提高是目前尚待解决的问题。 新的光催化剂的研究和各种表面改性技术的研究 是光解水制氢的研究重点。 二元甚至多元复合半导体表面上负载贵金属或稀 土元素有可能为解决这一问题提供一个途径。
各种能带调变手段对催化剂能带结构的影响示意图
CB
CB
CB
CB
CB
new VB
VB
VB
VB
VB
VB
元素掺杂类型 氮氧/ 硫氧化物
固溶体
掺杂Sb和Cr的 TiO2、SrTiO3 ， 掺杂Ni的ZnS等
TiO2-xNx, Ln2Ti2S2O5， Sm2 Ti2 S2O5
ZnIn2S4，(AgIn)xZn2(1 - x)S2等
例一
Diffuse reflectance spectra of Zn0.999Ni0.001S (a)and ZnS(b)powder
Chem Commun, 2000, 15, 1371.
例一
Condition: K2SO3(0.5 mol l-1)-Na2S(0.005 mol l-1) Light source: 300 W Xe lamp. (controlled Via cut-off filters).
光催化剂的结构及工作原理
表面复合
-++
B
-
C
H2
-
-
导带
-
-
-
-
hv Eg
+
hv
价带 + +
++
+
D
A
O
2
体相复合+
-+ +
H+ TiO2 粒子
H2O
太阳能光解水的影响因素
• 光解水能否进行或效率如何还与以下因素 相关： 受光激励产生的自由电子，孔穴对的多少 自由电子，孔穴对的分离、存活寿命 再结合的抑制
例二
U--vis diffuse reflectance spectra of Ta2O5, TaON and Ta3N5.
J. Phys. Chem. B, 2003, 107(8), 1803.
例三
CB CB CB solid
solution VB
VB VB
固溶体
Preparation condition: (a) heat-treated in quartz ampule tube at 1323 K and (b)-(h) heat-treated in a N2 flow at 1073-1123 K.
例一
CB
VB
催化剂Zn0.999Ni0.001S
-
Zn4s4p
Ni 3d
3.55 eV 2.3 eV
元素掺杂类型 +
S3p
ZnS: 3.55 eV
Preparation Condition:773 K in an N2
Zn0.999Ni0.001S
Chem Commun, 2000, 15, 1371.
Thank you!
State Key Laboratory of Catalysis