实验室制氢气 实验室制取氢气的原理

## 新型光催化剂：利用太阳光高效产氢

神户大学分子光科学研究中心的Takashi Tachikawa副教授带领团队研发出一种突破性光催化剂，能够高效地利用太阳光将水转化为氢气。这项研究采用钛改性赤铁矿介晶基光阳极，为未来商业化太阳能水分解系统奠定了基础，有望以更低成本、更便捷的方式生产清洁燃料氢气，使其成为切实可行的可再生能源。

该研究是与名古屋大学可持续性材料与系统研究所的Musto Shunsuke教授以及日本同步辐射辐射研究所 (JASRI) 的Koji Ohara和Kunihisa Sugimoto研究员合作完成。研究成果已于2019年10月23日在线发表于《自然通讯》杂志。

### 光催化制氢：机遇与挑战

面对日益严峻的环境和能源问题，氢作为一种潜在的清洁能源备受关注。光电化学(PEC)水分解，也称为太阳能水分解，被认为是一种极具潜力的可再生氢生产方式。该方法理论上操作简单，只需光催化剂和阳光即可从水中获取氢气。工业规模的PEC水分解系统将大幅降低氢气的商业价格，使其成为一种实用能源。

PEC水分解要实现大规模制氢，需克服光能转换效率低下的难题。当光催化剂暴露于光下时，其表面会形成电子和空穴（电子逃逸形成空穴）。这些电荷分离后，会将水分子分解成氢气和氧气。尽管已对多种光催化剂进行过实验，但电子和空穴在催化剂表面重新结合的问题始终存在，导致转换效率降低。催化剂的耐久性和成本也是需要解决的难题。

### 介晶基光阳极: 精确调控，高效转化

为了通过纳米粒子的精确排列来控制电子和空穴的运动，Tachikawa副教授团队开发出一种以“赤铁矿介晶基光阳极”作为光催化剂的方法，并成功实现了高效的光能转换。介晶是由高度有序的纳米颗粒组成的超结构，有利于电荷的分离和传输。而赤铁矿作为一种储量丰富的天然矿物，为降低成本提供了可能。

#### 介晶基光阳极的制备和结构:
* 通过溶剂热合成法（一种利用高温高压合成化合物的方法）制备出具有高度有序纳米粒子的介晶，并以此开发出介晶基光阳极。
* 高温处理使介晶内部纳米晶体界面发生部分融合，形成氧空位Vo（微小的缺氧空间）（图1），增加了介晶的载流子密度，进一步提高了导电性。
* 对介晶的组成和结构分析还发现颗粒表面的孔隙（图2），这些孔隙和颗粒的附着分别促进了光吸收和电荷迁移。

图1：STEM-EELS分析显示介晶中的氧化铁分布和氧空位（Vo）。

图2：钛改性的赤铁矿介晶的组成和结构

研究表明，在Vo附近产生的电子-空穴对寿命更长，这使得空穴更容易摆脱与光生电子的束缚，从而提高转换效率。

#### 钛改性赤铁矿：增强导电性，提高电荷分离效率

研究人员利用钛改性的赤铁矿 (Ti-Fe2O3) 介晶构建光阳极。钛改性可提高导电性和电荷分离效率。

太阳能水分解装置如图3所示。将Ti改性赤铁矿光阳极置于模拟阳光照射下的碱性水溶液中，铂(Pt)电极作为阴极。介晶基光阳极产生氧气，Pt电极产生氢气。

图3：基于PEC的水分解方法和介晶基光阳极的纳米颗粒结构

#### 高效稳定的光电流密度

研究人员测试了光阳极的光电流密度。光电流是一种反向电流，由电子和空穴分别流向阴极和阳极产生。高光电流密度意味着太阳能转化为氢气的效率较高。

* 实验比较了不同膜厚的Ti改性赤铁矿光阳极在两种照明模式下的光电流密度。结果表明，与前照明（光线需穿过电解质才能到达赤铁矿）相比，后照明（光线直接照射在FTO玻璃上的赤铁矿表面）在所有样品中都能产生更大的电流。
* 实验发现，900nm的膜厚效果最佳，其光阳极在1.23V的电势下光电流密度可达2.5mAcm-2。
* 这种背照式方法还解决了由气泡引起的光散射问题，而光散射会降低转换效率。
* 研究还发现，在光阳极表面添加Co-Pi（磷酸钴离子）助催化剂可将光电流密度进一步提高至3.5mAcm-2（图4）。这是迄今为止使用赤铁矿作为背照式光催化剂材料所能达到的最高光电流密度。

在长达3小时的太阳能水分解过程中，系统产生了化学计量比为2:1的氢气和氧气（图4）。光阳极在24小时内电流没有明显下降，表明其在长时间工作条件下具备良好的稳定性。

图4：光电流密度和放出的气体

**修改后的内容：**
**光电化学水分解的效率分析：**

**a. 不同类型光阳极电流密度的比较**
钛改良的赤铁矿介晶基光阳极，配备钴磷助催化剂，表现出卓越的性能。在可逆氢电极 (RHE) 基准下，电化学水分解在 1.23 V 的电压下进行。
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**b. 光电化学水分解产生的气体排放量**
在三小时的电解过程中，产出氢气的与氧气的体积比为 2:1。
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**c. 光阳极和铂电极的图像**
这些图像展示了光阳极和铂电极的物理特征。
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**关键见解：**
这项研究表明，背面的钛改良赤铁矿介晶基光阳极对水裂氢表现出很高的效率。深入分析表明，这些具有空位和介孔的光阳极具有有利于太阳能水裂解的特性，包括广泛的光吸收、长寿命载流子和优异的电荷迁移率。薄膜中仍存在需要注意的复合问题。优化表面处理有望进一步提高性能。
未来与学术界和产业界的合作，专注于提高変換效率和其他类型介晶基光阳极的适用性，预计将加速光电化学水分解系统的商业化。
**术语定义：**
* **FTO (氟掺杂氧化锡)**: 一种坚固且导电的薄膜玻璃。
* **STEM (扫描透射电子显微镜)**: 一种 TEM (透射电子显微镜)，可聚焦于微观区域以创建图像。
* **EELS (电子能量损失谱)**: 一种将材料暴露于具有已知窄动能电子束的技术。这些电子的反应可用于探测材料的元素组成。与 STEM 结合使用时，可用于以原子级分辨率对样品成像。
* **HAADF-STEM (高角度环形暗场扫描透射显微镜)**: 一种成像技术，用于高亮显示重原子。