二氧化碳的光电催化.docx

光 电 催 化 还 原 二 氧 化 碳光 电 催 化 的 相 关 知 识光 电 化 学 反 应 是 指 光 辐 照 与 电 解 液 接 触 的 半 导 体 表 面 所 产 生 的 光 生 电 子 － 空 穴 对 被半 导 体 ／ 电 解 液 结 的 电 场 所 分 离 后 与 溶 液 中 离 子 进 行 的 氧 化 还 原 反 应 光 电 催 化 是通 过 选 择 半 导 体 光 电 极 （ 或 粉 末 ） 材 料 和 （ 或 ） 改 变 电 极 的 表 面 状 态 （ 表 面 处 理 或 表 面修 饰 催 化 剂 ） 来 加 速 光 电 化 学 反 应 的 作 用 光 电 催 化 是 一 种 特 殊 的 多 相 催 化 半 导 体 光 电 极 在 将 光 能 转 换 为 化 学 能 的 光 电 化 学 电 池 中 ， 用 半 导 体 材 料 作 光 电 极 ，起 光 吸 收 和 光 催 化 作 用 n 型 半 导 体 构 成 光 阳 极 ,只 催 化 氧 化 反 应 ;p 型 半 导 体 构 成 光阴 极 ， 只 催 化 还 原 反 应 （ 不 含 杂 质 且 无 晶 格 缺 陷 的 半 导 体 称 为 本 征 半 导 体 ， 对 掺 入施 主 杂 质 的 半 导 体 ， 导 电 载 流 子 主 要 是 导 带 中 的 电 子 ， 属 电 子 型 导 电 ， 称N 型 半 导 体 。

掺 入 受 主 杂 质 的 半 导 体 属 空 穴 型 导 电 ， 称 P 型 半 导 体 ） 但 半导 体 表 面 一 般 不 具 有 良 好 的 反 应 活 性 ， 电 极 反 应 往 往 需 较 高 的 过 电 位 经 过 适 当 的 表 面处 理 (如 热 处 理 、 化 学 刻 蚀 和 机 械 研 磨 等 )来 改 变 电 极 的 表 面 状 态 （ 如 价 态 分 布 、 晶 格缺 陷 、 晶 粒 粒 度 、 比 表 面 和 表 面 态 分 布 等 ） ， 可 以 大 大 改 善 其 催 化 活 性 单 纯 半 导 体 光 电 极 一 般 催 化 活 性 不 高 ， 采 用 表 面 修 饰 方 法 （ 如 沉 积 法 、 强 吸 附 法 、共 价 法 和 聚 合 成 膜 法 等 ） 将 具 有 某 些 功 能 的 物 质 (金 属 、 半 导 体 、 化 学 基 团 和 聚 合 物 )附 着 于 电 极 表 面 ,使 它 成 为 表 面 修 饰 电 极 ， 就 能 改 善 和 扩 大 电 极 功 能二 氧 化 碳 的 光 电 催 化 意 义 及 前 景随 着 工 业 的 发 展 ， 工 业 废 气 日 益 增 多 ， 其 中 废 气 又 以 二 氧 化 碳 为 主 ， 随 着 二 氧化 碳 的 增 加 ， 臭 氧 层 损 耗 与 全 球 变 暖 日 益 加 剧 。

同 其 他 环 境 问 题 相 比 ,二 氧 化 碳 的 排放 影 响 空 间 大 且 作 用 时 间 长 ,因 此 解 决 起 来 非 常 困 难 一 方 面 ,如 何 降 低 二 氧 化 碳 排放 量 ,变 废 为 宝 ,实 现 其 分 离 回 收 与 综 合 利 用 是 摆 在 广 大 环 境 科 技 工 作 者 面 前 的 重 要 课题 另 一 方 面 ,二 氧 化 碳 作 为 地 球 上 最 丰 富 的 碳 资 源 ,可 转 化 为 巨 大 的 可 再 生 资 源 现 阶 段 ,二 氧 化 碳 的 资 源 化 研 究 已 引 起 人 们 的 密 切 关 注 ,且 其 开 发 前 景 非 常 广 阔 　 当 前 ,各 国 的 科 技 工 作 者 在 防 止 大 气 “温 室 效 应 ” 、 综 合 利 用 二 氧 化 碳 领 域 取 得 了一 定 的 成 果 但 深 入 研 究 、 开 发 二 氧 化 碳 作 为 潜 在 资 源 转 化 为 甲 烷 、 丙 烷 、 甲 醇 、乙 醇 等 的 技 术 手 段 还 不 完 善 成 熟 光 电 催 化 二 氧 化 碳 作 为 新 兴 的 开 发 工 艺 ， 其 广 阔的 开 发 前 景 值 得 我 们 科 研 人 员 的 探 求 与 学 习 。

通 过 选 择 半 导 体 光 电 极 （ 或 粉 末 ） 材 料 和 （ 或 ） 改 变 电 极 的 表 面 状 态 （ 表 面 处 理或 表 面 修 饰 催 化 剂 ） 来 加 速 光 电 化 学 反 应 的 作 用 光 电 化 学 反 应 是 指 光 辐 照 与 电 解 液接 触 的 半 导 体 表 面 所 产 生 的 光 生 电 子 － 空 穴 对 被 半 导 体 ／ 电 解 液 结 的 电 场 所 分 离 后 与 溶液 中 离 子 进 行 的 氧 化 还 原 反 应 光 电 催 化 是 一 种 特 殊 的 多 相 催 化 最 有 意 义 的 光 电 催 化是 转 换 太 阳 能 为 化 学 能 的 贮 能 反 应 ， 如 铂 ／ 钛 酸 锶 或 铂 ／ 钽 酸 钾 催 化 太 阳 光 分 解 水 ,产 生 氢 和 氧 半 导 体 光 电 极 在 将 光 能 转 换 为 化 学 能 的 光 电 化 学 电 池 中 ， 用 半 导 体 材 料 作 光 电 极 ，起 光 吸 收 和 光 催 化 作 用 n 型 半 导 体 构 成 光 阳 极 ,只 催 化 氧 化 反 应 ;p 型 半 导 体 构 成 光阴 极 ， 只 催 化 还 原 反 应 。

但 半 导 体 表 面 一 般 不 具 有 良 好 的 反 应 活 性 ， 电 极 反 应 往 往需 较 高 的 过 电 位 经 过 适 当 的 表 面 处 理 (如 热 处 理 、 化 学 刻 蚀 和 机 械 研 磨 等 )来 改 变 电极 的 表 面 状 态 （ 如 价 态 分 布 、 晶 格 缺 陷 、 晶 粒 粒 度 、 比 表 面 和 表 面 态 分 布 等 ） ， 可 以大 大 改 善 其 催 化 活 性 表 面 修 饰 的 半 导 体 光 电 极 单 纯 半 导 体 光 电 极 一 般 催 化 活 性 不 高 ， 采 用 表 面 修 饰 方法 （ 如 沉 积 法 、 强 吸 附 法 、 共 价 法 和 聚 合 成 膜 法 等 ） 将 具 有 某 些 功 能 的 物 质 (金 属 、半 导 体 、 化 学 基 团 和 聚 合 物 )附 着 于 电 极 表 面 ,使 它 成 为 表 面 修 饰 电 极 ， 就 能 改 善 和 扩大 电 极 功 能 当 具 有 催 化 活 性 的 物 质 以 高 分 散 的 岛 状 分 布 修 饰 在 半 导 体 电 极 表 面 并 形 成透 光 的 肖 特 基 接 触 时 ， 就 可 能 改 变 反 应 势 垒 ， 提 高 反 应 速 率 。

例 如 ， 在 半 导 体 二 氧 化 钛光 阳 极 表 面 修 饰 上 铂 或 钯 ， 可 大 大 提 高 乙 醇 水 溶 液 光 电 催 化 氧 化 同 时 放 氢 的 速 率 太 阳 能 利 用 中 的 光 电 催 化 问 题 目 标 是 提 高 太 阳 能 转 换 成 化 学 能 的 光 能 转 换 效 率 ，以 期 取 得 应 用 价 值 除 了 光 电 催 化 水 分 解 以 制 取 氢 燃 料 外 ， 光 电 催 化 固 氮 成 氨 ， 固 二 氧化 碳 成 有 机 物 ， 光 电 合 成 化 学 药 品 和 材 料 以 及 利 用 光 电 催 化 变 废 为 利 、 保 护 环 境 等 ， 都是 有 理 论 和 实 践 意 义 的 太 阳 光 电 催 化 的 课 题 普 遍 存 在 的 问 题 是 ： 光 能 转 换 效 率 低 ,大 多 在 1％ ～ 3％ 甚 至 更 小 ;催 化 剂 活 性 不 够 高 ； 催 化 剂 选 择 性 不 够 好 ， 大 多 是 系 列 产 物分 布 ； 催 化 剂 寿 命 不 够 长 ， 连 续 使 用 期 仅 数 月 或 数 年 。

新的系统由金电极组成，金电极采用磷化铟(InP)纳米颗粒层包复然后，研究人员在层状排布上引入铁-硫络合物[Fe2S2(CO)6]当浸没在水中，并在相当小的电流条件下用太阳光照射时，该光电催化系统就可产出氢气，效率为 60%东 Anglia 大学研究人员给出了反应的以下机理：到达的光粒子被 InP 纳米结晶所吸收，在InP 上激发出电子在这一激发状态，电子可被转移到铁-硫络合物中在催化反应中，铁-硫络合物然后通过这些电子，使之成为包绕水中的氢离子(H+)金电极不断地向 InP 纳米结晶供应必要的电子与现有的过程不同，新系统工作无需采用有机分子现有过程必须被转换成激发态才能参与反应，反应也会随时间而降级这一问题限制了使用有机组分的系统寿命而新系统纯粹为无机物质，可使用很长时间据称，新开发的光催化电极系统坚固耐用、高效、廉价，且无有毒的重金属它可成为工业化生产氢气十分有前途的替代方案。