利用无处不在的阳光将水转化成人类需要的氢能

《利用无处不在的阳光将水转化成人类需要的氢能》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2011年第6期(第17卷)科学教育ScienceEducation·63·利用无处不在的阳光将水转化成人类需要的氢能杨洁张育马青梅王明召(北京师范大学化学学院100875)摘要为将现代化学的一个前沿研究领域引入高中化学，作者设计了这篇教学材料，介绍一种利用太阳光分解水制氧技术的基础知识，包括核心成分光催化剂半导体的工作原理，实际催化体系的构成，以及光催化剂的改进。本文可供一线教师用于高中化学教学，也可供高中生作为扩展知识的阅读材料。关键词高中化学太阳光半导体光解水制氢太阳能是一种潜在的下一代能源，氢是一

2、种具有价电子所占据的能级称为价带(VB)，未填充的能级称高燃烧值、清洁环保等优点的理想燃料，利用太阳能将为导带(CB)。导带和价带之间存在一个能量间隙，称水中的氢转化为供人类直接使用的氢能，是一个极有为禁带，宽度约为3，0eV。当半导体材料TiO吸收了前途的能源开发方向。1972年，日本学者Fujishima和等于或大于3．0eV的光能，价带上的电子可以跃迁到Honda发现光照半导体TiO电极可以分解水，产生氢导带上，在导带上生成一个光生电子e一，价带上则留气和氧气J，揭开了太阳能制氢的新篇章。下一个空穴

3、h。h具有强氧化性，可将水氧化为氧1光照射半导体为何能使水转变为氢气气：在这种太阳能分解水制氢的过程中，具有催化作12h+H20-1-O2+2H用的半导体起着核心的作用。光照时，半导体吸收光厶光生电子e一具有强还原性，可将水还原为氢子的能量，经过一系列过程，将水分解为氢气和氧气。气：研究所用的典型半导体为TiO，它是一种具有较好催2e一+2h_H2化性能的光催化剂。TiO，的能级结构如图1所示，其；祭苫壶{蔷a{0葛aa；a不断提高数学学习能力。才能调动学生积极性，才能题目作深入地探索。为了打破学生解题时

4、思路狭窄的让学生自主学习，达到事半功倍的效果。例如指导学禁锢，我在设计练习时引导学生放开思路，积极探索，生逐步学会阅读数学课本的方法，我用程序思考题引打破常规，设计以下三类开放性习题：①条件一定，结路，提示阅读方法和重点。拟定阅读思考题时，我十分论不一定的习题。这类习题不仅能培养学生的发散思注意：①符合学生的认识水平；②符合教材的知识结维能力，而且为学生提供了追求“多答案”开放性数学构；③符合数学学科特点，即重概念，重算理，重思路。问题的机会，让他们有这方面的心理准备。②条件不学生按照思考题提出的问题、要

5、求、方法、步骤去看课一定，结论一定的习题。设计此类题为了使学生体会本(插图)、理思路、找难点、抓重点、想疑点。例如在教到同一结论，可能来自不同的条件，或不同的渠道，有学列方程解应用题时(相遇问题)，我拟定了以下一组利于学生总结出规律性的东西。同时，也可激起他们思考题：①看例3和示意图，想相向是什么意思?②看创造思维的火花，从成功中得到无穷的乐趣。③条件课本中列出的方程，想它是根据怎样的等量关系列出不一定，结论不～定的习题。这类习题首先要对题目的?③看解题的过程，想列方程解应用题的步骤和关进行分析，再过渡到

6、综合处理，这是更高一级的数学思键是什么?④你还能根据什么样的等量关系列出别的维活动。这类题的设计可将结论部分隐去让学生自己方程?从不同角度去寻求解决问题的途径，并筛选出探讨，导出关系。最佳方法，使学生的思维素质及思维能力均得到了培综上所述，在教育教学过程中，教师主导，学生主养。学生在这样的学习中，既理解了知识，又学到了方体，师生双方的“主”是建立在对方成为主人的基础上法。的，教师是教学活动的设计者和组织者，主导着课堂教．4增强主体意识，开拓学习思路学活动的全过程，充分发挥教师“导”的作用，是促进学传统的习

7、题，条件完备，结论明确。般情况下，生“学”的关键。因此“教”必须致力于“导”，让学生在解题就是找出唯一的正确答案。学生形成一种心理定教师‘导”的前提下，自我设计、自我管理、自我发展，真势，即只要得了一个答案就万事大吉了，解题时很少对正实现教师“主导”和学生(‘主体”的和谐。·64·科学教育ScienceEducation2011年第6期(第17卷)H)=0V)更负，价带的最低能级比水的氧化电势(E(O／H：O)=+11．23V)更正，禁带宽度大于水的电解I■，个●●●●》1迅●●●电压I．23V1。图2表

8、示几种半导体的能级结构及其与O2／H2O、H2O／H2电极电势的相互关系，每个半导体材料上端的黑点表示导带的最高能级，下端的黑点表示价带的最低能级，两个黑点之间的距离表示该半I、国导体的禁带宽度。由图2可知，除了TiO以外，TaO、蓉嚣掰颟ZrO、SiC、CdS等半导体材料也具有光催化分解水的性图lTiO光催化分解水的原理示意图能。可以分解水的半导体材料，需要其能级结构以满足O“也憾“以下要求：导带的最高能级比水的还原电势(E