一波三折的光电化学电池

一波三折的光电化学电池

光电化学现象是在1939年被发现的。用稀盐酸作为电解质溶液，银－氯化银电极和铂片构成一个电池。当光照射到具有半导体性质的银－氯化银电极上时，发现外电路有电流通过，这种能将光能在电化学池中转变为电能或化学能的现象被称为光电化学现象。这种电化学池被称为光电化学电池。光电化学电池不仅能够把光能转变成电能来直接利用，还可以利用光电化学电池进行光电解水，把太阳能以化学能的形式储存起来，电解出的氢气是比电能和热能更容易储存的一种能量形式。这种光电化学电池通常称为光电解电池。

在光电化学现象发现后的很长一段时间内没有得到足够的重视。直到1973年爆发的能源危机，才使得人们对光电化学电池产生了极大的兴趣，兴起了研究光电化学的第一个热潮，因为它可能成为大幅度利用太阳能的一种新的方法，这为当时解决能源危机提供了一种有希望的途径。虽然能源危机后来有所缓解，但更多地利用太阳能这种取之不尽、用之不竭的能源，始终是人们美好的愿望。目前，人类利用的能源主要依靠燃烧煤、石油和天然气。然而，这些矿物燃料的储量终究是有限的，并且燃烧造成的空气污染日趋严重。核能潜在的危险性和放射性以及核废料处理的困难性，极大地限制了它的发展，太阳能作为一种新型能源，与矿物燃料和核燃料相比有着巨大的优越性。因此，近二十多年来，光电化学已成为一个新的研究热点。

最初的光电化学电池的电极使用的是单晶半导体，但由于单晶半导体价格高，又不易制成大面积的电极，使光电化学电池与实际应用的距离很遥远。多晶半导体电极在光电化学电池中的成功使用，大大降低了制造成本。在20世纪70年代末，已有转化效率达到6.1%的多晶半导体光电化学电池的报道，虽然经过很大的努力，到20世纪80年代后期，最高的光电化学电池的转换效率也只达12%，光电转换效率低是所有半导体材料存在的一个普遍的难以解决的问题，因为半导体材料一般只能吸收一定波长范围内的太阳光。

光电化学电池发展中的另一大障碍是光电极的腐蚀，因为光照后半导体表面产生电子－空穴对，其空穴具有很强的氧化性，能够与溶液中的氧化－还原电对发生反应，也能氧化半导体电极表面，导致光电极腐蚀。寻找既能抗光腐蚀，又要有高的光电转换效率的半导体材料是相当困难的。所以在能源危机有所缓解的20世纪80年代，光电化学的研究一度走入低谷。

20世纪90年代初，瑞士科学家格拉瑟及其合作者才在光电化学电池的稳定性及光电转化效率方面取得了重大的进展。他采用染料敏化的纳米尺寸的二氧化钛多孔膜作为阳极制成了稳定的光电化学电池。他们的突破有两个方面，首先他使用的光阳极材料是纳米尺寸的二氧化钛多孔膜，利用了二氧化钛材料的高稳定性；同时晶体为纳米尺寸的二氧化钛，比表面大，能够有效地分离电荷，使得光激发产生的电子、空穴的复合几率大大减小，提高了光电转换效率。但二氧化钛本身的光电转换效率还是很低的，这一问题的解决是通过在电极体系内加入染料而实现的。加入的染料在可见光区也有较大波长范围的吸收，选择的染料也很稳定，所以电池具有较高的稳定性。

这一突破性进展，使得走入低谷的光电化学电池又看到了希望。从20世纪90年代初起，光电化学的研究又兴起了第一个热潮。目前对光电化学电池的研究主要还是在寻找更有效目.不被光腐蚀的纳米晶电极材料及更有效和稳定的染料方面做着不懈的努力。

除了光电转换外，光电化学技术还能用来研究金属钝化膜的性质、化合物的稳定性、导电高分子的性质、催化降解有机污染物的动力学机制等。还可以用光电化学方法现场检测一些金属在有、无防腐剂存在时的腐蚀行为。当然，光电化学电池要真正达到实用阶段尚需一定的时间，光电化学领域的研究依然任重而道远。