太阳能制氢

传统的制氢方法，由于需要消耗大量的常规能源，使成本大大提高。如果用太阳能作为获取氢气的一次能源，则能大大减低制氢的成本，使氢能具有广阔的应用前景。利用太阳能制氢主要有以下几种方法：太阳能光解水制氢、太阳能光化学制氢、太阳能电解水制氢、太阳能热化学制氢、太阳能热水解制氢、光合作用制氢及太阳能光电化学制氢等。

自1972年，日本科学家首次报道TiO2单晶电极光催化降解水产生氢气的现象，光解水制氢成为太阳能制氢的研究热点。

太阳能光解水制氢反应可由下式来描述：

电解电压为

式中，GH2O＝－237 kJ/mol，为摩尔生成自由能；F为法拉第常数。

太阳能光解水的效率主要与光电转换效率和水分解为H2和O2的过程中电化学效率有关。在自然条件下，水对于可见光至紫外线是透明的，不能直接吸收光能。因此，必须在水中加入能吸收光能并有效地传给水分子且能使水发生光解的物质——光催化剂。理论上，能用做光解水的催化剂的禁带宽度必须大于水的电解电压EH2O（1.229e V），且价带和导带的位置分别同O2/H2O和H2/H2O的电极电位相适宜。如果能进一步降低半导体的禁带宽度或将多种半导体光催化剂复合使用，则可以提高光解水的效率。

太阳能光化学制氢是利用射入光子的能量使水的分子通过分解或把水化合物的分子进行分解获得氢的方法。实验证明：光线中的紫光或蓝光更具有这种作用，红光和黄光较差。在太阳能光谱中，紫外光是最理想的。在进行光化学制氢时，将水直接分解成氧和氢非常困难，必须加入光解物和催化剂帮助水吸收更多的光能。目前光化学制氢的主要光解物是乙醇。乙醇是透明的，对光几乎不能直接吸收，加入光敏剂后，乙醇吸收大量的光才会分解。在二苯（甲）酮等光敏剂的存在下，阳光可使乙醇分解成氢气和乙醛。

太阳能电解水制氢的方法与电解水制氢类似。第一步是将太阳能转化成电能，第二步是将电能转化成氢，构成所谓的太阳能光伏制氢系统。光电解水制氢的效率主要取决于半导体阳极能级高度的大小，能级高度越小，电子越容易跳出空穴，效率就越高。由于太阳能制氢的转换效率较低，在经济上太阳能电解水制氢至今仍难以与传统电解水制氢竞争。预料在不久的将来，人们就能够把用太阳能直接电解水的方法，推广到大规模生产上来。

太阳能热化学制氢是率先实现工业化大生产的比较成熟的太阳能制氢技术之一，具有生产量大、成本较低等特点。目前比较具体的方案有：太阳能硫氧循环制氢、太阳能硫溴循环制氢和太阳能高温水蒸气制氢。其中太阳能高温水蒸气制氢需要消耗巨大的常规能源，并可能造成环境污染。因此，科学家们设想，用太阳能来制备高温水蒸气，从而降低制氢成本。

太阳能热解水制氢是把水或蒸汽加热到3000 K以上，分解得到氢和氧的方法。虽然该方法分解效率高，不需要催化剂，但太阳能聚焦费用昂贵。若采用高反射高聚焦的实验性太阳炉可以实现3000 K左右的高温，从而能使水分解，得到氧和氢。如果在水中加入催化剂，分解温度可以降低到900～1200 K，如果将此方法与太阳能热化学循环结合起来，形成“混合循环”，则可以制造高效、实用的太阳能产氢装置。

太阳能光电化学分解水制氢是电池的电极在太阳光的照射下，吸收太阳能，将光能转化为电能并能够维持恒定的电流，将水解离而获取氢气的过程。其原理是：在阳极和阴极组成的光电化学池中，当光照射到半导体电极表面时，受光激发产生电子—空穴对，在电解质存在下，阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向阴极，水中的质子从阴极上接收电子产生氢气。现在最常用的电极材料是TiO2，其禁带宽度为3eV。因此，要使水分解必须施加一定的外加电压。如果有光子的能量介入，即借助于光子的能量，外加电压小于1.23V就能实现水的分解。