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光解水制氢之“光催化”和“光电催化”----请有兴趣者进来解惑、交流 已有7人参与
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最近在看光解水制氢方面的文献。光解水主要有两种方式：光催化和光电催化。前者是在水溶液中分散一些光活性材料，光照时，在溶液中产生氢气和氧气；后者用光活性材料作电极，组成光电化学电池（photoelectrochemical cells），类似传统的电解水，阳极发生氧化反应析出O2，阴极发生还原反应析出H2，通过电解质溶液连通两电极和外电路形成电流环路。 那么，这两种光解水方式的本质有何不同？效率有何不同？既然光催化分解水可以制得氢气，为什么还要进行光电催化？仅仅是因为氢气和氧气分别在两个电极上析出，方便两种气体的分离和收集吗？如果仅对光催化材料的光催化活性进行研究，是否只用光催化的方法就行，而不必用光电催化方式呢？ 另外，在光催化分解水的研究中，异质结光催化是一个热点。异质结可以有效分离光生电子和空穴，提升材料的光催化反应效率。异质结又分为两种，p/n型异质结和非p/n型异质结。无论哪种异质结，其作用都是将光生电子集中至更低的导带，将空穴集中至更高的价带，此谓电子和空穴的分离。这是否意味着将光生电子和空穴分别集中在形成异质结的两种物质中，然后再分别移向催化剂颗粒的表面参与氧化还原反应？如果是这样，因一个催化剂颗粒会有很多这样的异质结，电子和空穴虽然被集中在各自“结”两侧的物质中，但在移向颗粒表面的过程中还是会发生复合，这种复合的几率就一定比单物质的催化材料的低吗？如此，异质结抑制广生电子和空穴复合的作用又如何体现？又如，核壳结构的异质结光催化剂，光生电子和空穴分别被集中在核与壳中，然而，在二者移向颗粒表面的过程中，一样有几率复合，这种几率也不见得小。 也许，我以上关于异质结的理解是错误的，请了解光催化的朋友指教。 这个帖子，很大程度上是请教贴，但希望建立一个交流的平台，请从事这方面研究工作、希望解惑的虫友们提出自己的问题，请光催化大虾指教、交流，共同提高。 先设200金币，不够再充 |
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【答案】应助回帖
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飞白: 金币+10, ★★★很有帮助, 是这样的。外加偏压的作用，主要在于弥补光催化材料能带位置的不足。 2014-11-04 20:41:59
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| 呵呵，看来搞光电催化的人多，但偏压的作用很多人还是不清楚啊。大家说的方便分离及减小复合式一方面，更重要的是加偏压的扩充了材料的可选范围。对于光催化剂而言，带隙一般大于2ev，导带价带必须在氢气和氧气产生电位的上方和下方。而对于光电催化而言，就不是这么严格了，例如：导带可以低于氢气产生电位，加偏压后仍然有氢气产生，在一定程度上偏压弥补了导带或价带位置的不足。有心人可以比较一下目前正在用的光催化剂和光电催化电极材料，看看是不是这样。 |
19楼2014-10-29 13:38:03
匿名
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飞白: 金币+150, ★★★很有帮助, 多谢交流。 2014-11-26 08:12:33
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 本帖仅楼主可见 |
20楼2014-11-25 16:22:41
【答案】应助回帖
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飞白: 金币+10, ★★★很有帮助 2014-09-26 08:08:54
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1.光电催化是需要外置电路的，光催化剂作为阳电极，通过外置电路连接阴电极，光照射阳电极时，产生电子空穴对，空穴在阳电极与水反应生成氧气，电子通过外置电路到达阴电极与氢离子生成氢气，此时外置电路需要一个极低的偏置电压将电子送到阴电极。此方法的好处是，电子空穴对的分离，氢气氧气的分离收集。不足是：需要外置电路构成复杂了，偏置电压虽然小，但也消耗能量。 2.光催化是直接光催化剂颗粒投放到水中，用光照射就可以了。好处是方法简单，方便，不足是电子空穴对的复合，产生的氢气氧气混合其反应又生成水，及不易收集分离 |
6楼2014-09-25 10:25:38
16楼2014-10-20 21:46:01
18楼2014-10-28 18:56:59
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【答案】应助回帖
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飞白: 金币+5, ★★★很有帮助, 说的有道理，多谢参与讨论。它山之石可以攻玉，欢迎不同方向的朋友一起讨论 2014-09-22 09:05:30
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我不是做光催化的，不过对你的问题挺有兴趣 光催化或者电催化本质上都是利用外部提供的能量来诱导目标反应的发生。你所描述的光催化应该是均相催化，可以单一利用光所提供的能量进行反应，而光电催化则是在光子与电子共同提供能量的情况下进行的反应，理论上光靠电子应该也是可以进行的，只不过需要更高的过电位吧。另外一个不能忽视的是这类反应就是光电催化往往需要两种不同的材料作为阴阳极，我认为是因为作为光催化材料的只有一极，而另一极是为了配合反应另外的氧化/还原反应，因为异相催化往往涉及表面吸附态，所以并不是任意的材料都能催化对应的反应。 思路也不是很有条理，希望可以多多讨论 |
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