13 人工无机半导体z型反应光催化分解水

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1、·１３４·材料导报Ａ：综述篇２０１３年６月（上）第２７卷第６期人工无机半导体Ｚ型反应光催化分解水＊丁亮，周涵，范同祥（上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海２００２４０）摘要比较了自然和人工Ｚ型光合作用过程，从反应的基本原理、常用体系及其光催化效率的影响因素入手，着重介绍了无机物半导体Ｚ型光解水体系。在此基础上，针对研究中存在的问题，提出了提高光解水效率的３种可能途径。关键词人工Ｚ型光合作用光解水制氢电子介体中图分类号：ＴＱ１１６．２９文献标识码：ＡＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＺ－ｓｃｈｅｍｅＰｈｏｔｏｃａ

2、ｔａｌｙｔｉｃＷａｔｅｒＳｐｌｉｔｔｉｎｇＤＩＮＧＬｉａｎｇ，ＺＨＯＵＨａｎ，ＦＡＮＴｏｎｇｘｉａｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｔａｌＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０）ＡｂｓｔｒａｃｔＦｏｃｕｓｉｎｇｏｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＺ－ｓｃｈｅｍｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｗａｔｅｒｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎａｔｕ－ｒａｌｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｈｏｔｏｓｙｎｔ

3、ｈｅｓｉｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｐｒｏｇｒｅｓｓｔｏｗａｒｄｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆａｒｔｉｆｉ－ｃｉａｌＺ－ｓｃｈｅｍｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓ－ｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｒｅｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｅｎｅｒｇｙ－ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｔｔｈｅｅｎｄ，ｓｏｍｅｐｏｓｓｉｂｌｅａｐｐｒｏａｃｈｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｐｈｏｔｏｃａｔａ－ｌ

4、ｙｔｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＫｅｙｗｏｒｄｓａｒｔｉｆｉｃｉａｌＺ－ｓｃｈｅｍｅｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｈｙｄｒｏｇｅｎｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｅｄｉａｔｏｒ能源与环境问题是制约人类社会发展的主要因素。当电子－空穴对的复合和逆反应的发生，提高对阳光的利用效今世界经济的发展仍依赖于化石能源，随着人类社会的不断率。本文结合自然Ｚ型光合作用，着重介绍了两种不同的无进步，能源的消耗日趋增大。据预测，２０５０年世界能源需求机物Ｚ型光解水体系的研究进展，并讨论了影响其光催化效将达到２０００年的２

5、倍［１］，但化石能源正逐渐枯竭，同时化石率的３个因素。能源也带来了诸如温室效应、大气污染、水污染等一系列环１自然光合作用和人工光合作用的Ｚ型反应境问题。发展太阳能、水能、风能、核能等清洁可再生能源来原理取代化石能源是解决能源危机与环境污染的关键。太阳辐射每年到达地球的能量远超人类所需，而用半导目前已知的光催化剂包括金属氧化物（如ＺｎＯ、ＣｕＯ、体催化剂光催化分解水产生氢气是有效利用太阳能并将其ＺｒＯ２、ＷＯ３、ＣｅＯ２等）、钛酸盐（如ＳｒＴｉＯ３、Ｓｒ３Ｔｉ２Ｏ７、转化为氢能源的方法之一。早在１９７２年，Ｈｏｎｄａ等用ＴｉＯ２Ｌａ２

6、ＴｉＯ５、Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７、ＢａＴｉ４Ｏ９、ＰｄＴｉＯ３、Ｍ２Ｔｉ６Ｏ１３（Ｍ＝Ｎａ，Ｋ，和Ｐｔ作电极，通过施加一个偏移电位，在紫外灯照射下首次Ｒｂ）等）、铌酸盐（如Ｋ４Ｎｂ６Ｏ１７、ＫＮｂ３Ｏ８、ＫＣａ２Ｎｂ３Ｏ１０、ＫＴｉ－实现了光催化分解水产氢［２］。经数十年的不断研究探索，用ＮｂＯ５、Ｍ２ＢｉＮｂＯ７（Ｍ＝Ｇａ，Ｉｎ…）等）、钽酸盐（如Ｔａ２Ｏ５、作光催化分解水的光催化剂已达数百种，但是由于响应波长Ｈ２ＳｒＴｉ２Ｏ７、ＮａＴａＯ３等）、硫化物（如ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＡｇＩｎＳ２等）、短、稳定性较差以及太阳能吸收转化效率低等因素，

7、还没有氮（氧）化物（如ＧａＮ、ＧｅＮ４、ＴａＯＮ、Ｙ２Ｔａ２Ｏ５Ｎ２等）。这些金一种令人满意的光催化剂能用于实际大规模的光解水产氢。属阳离子的最高氧化价态电子呈ｄ０（如Ｔｉ４＋、Ｚｒ４＋、Ｎｂ５＋、为了提高光解水效率，各国研究人员深入研究了具备不５＋、Ｗ６＋等）或ｄ１０（如Ｚｎ２＋、Ｃｄ２＋、Ｇａ３＋、Ｉｎ３＋、Ｇｅ４＋、Ｓｎ４＋、Ｔａ同能级结构的半导体材料的光催化分解水的反应原理，并通５＋等）排布。对于金属氧化物，导带的底部由金属阳离子Ｓｂ过贵金属沉积、过渡阳离子掺杂、染料敏化、复合半导体等方的ｄ和ｓｐ轨道构成，价带顶部由Ｏ２ｐ轨

8、道构成。对于硫化法延长响应入射光的波长范围，阻滞光生电子对的复合来提物、氮（氧）化物，价带顶部则由Ｓ３ｐ（Ｏ２ｐ）、Ｎ２ｐ（Ｏ２ｐ）轨道高对阳光的利用率。构成［３］。自然Ｚ型光合作用为提高光催化效率提供了新思路，即图１列举了常见的几种