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光電催化技術與基礎應用

來源:北京東方信捷科技有限公司   2022年09月02日 09:24  

 

光電催化是光催化與電催化的結合,可將兩種技術的優點體現。 

與光催化相比,光電催化反應中,光電可利用太陽光照射產生光生電子,提高反應活性和催化效率。 

與電催化相比,光電催化反應大大降低了外部能量的注入,可有效減少能源消耗和環境污染。 

光電催化還可以將因能帶結構的失配而不適用于光催化的催化劑,在適當的外加電壓條件下適用于光電催化。

光電催化反應可根據反應物質和反應類型的不同,分為光電催化分解水制氫、光電催化降解、光電催化二氧化碳還原、光電催化氮還原合成氨等等。

光電催化反應過程是在有光照射作用下的電化學過程,是因吸收光使電子處于激發狀態,產生電荷傳遞的過程。由于半導體材料存在禁帶,價帶電子與導帶電子之間的相互作用很弱,受到光的激發以后,半導體的價帶電子進入導帶,并在價帶留下空穴,引發光電化學反應。

光電催化反應池.jpg

圖1. 三種常見的光電催化反應池 (a)光陽光電催化反應池;(b)光陰光電催化反應池;(c)串聯光電催化反應池

三電反應器.jpg

光電催化是光催化與電催化的結合,可將兩種技術的優點體現。 

基于半導體材料的光電催化反應池主要包含四個部分: 

1. 光電:也稱工作電,是光電催化反應池中的核心部件,由用于捕獲光能量的半導體材料構成。 

一般情況下,將n型半導體薄膜/導電基底稱為光陽,p型半導體薄膜/導電基底稱為光陰。 

常見的光電制備方式是將光電半導體材料附著于氧化銦錫(ITO)或摻氟氧化錫(FTO)等有著較低功函數的透明導電氧化物鍍膜玻璃上,將光電夾持在如圖2(a)所示的電夾具上使用。 

2. 對電:若只研究單一光陽或光陰時,需要引入對電來充當另一半的半反應場所。對電通常選用具有良好電荷傳輸性能和較低反應過電勢的材料,一般為Pt電,如圖2(b)所示。 

3. 參比電:為確保施加在光電上的電位準確穩定,通常會加裝參比電,將整個光電催化反應池構建成三電體系。參比電可選擇Ag/AgCl電、Hg/Hg2Cl2電或Hg/HgO電,如圖2(c)所示。 

4. 適當的電解質溶液:電解質溶液在光電催化反應反應池中起聯通電路的作用,需要具有良好的離子電導率。

根據光電催化反應中光電材料性質的不同,電解質溶液的pH值和構成電解質溶液的離子類型也不盡相同。 

在選擇電解質溶液時需要注意的是,要確保所選的電解質溶液不與所選用的參比電發生反應。 

電解質溶液可分為三種:

 1)酸性電解質溶液:H2SO4溶液等; 

2)中性電解質溶液:Na2SO4溶液、K2SO4溶液等; 

3)堿性電解質溶液:NaOH溶液、KOH溶液等。

電.jpg

圖2. (a)電夾具;(b)Pt電;(c)Hg/Hg2Cl2電;(d)Ag/AgCl電

 

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