光电解水制氢

参见 《知识经济卷》 中 “光电解水制氢”。

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光电解水制氢

氢作为无公害的未来能源而举世瞩目。以氢作为动力燃料有两大优点，其一是能量密度大，氢气的燃烧热是汽油燃烧热的3倍； 其二是氢气燃烧时不会产生CO等有害气体，对环境无污染，有 “清洁能源” 之称。随着煤、石油等化石能源与日俱增地消耗，加之氢能源利用技术的开发，如燃料电池的实用化和燃料氢汽车的问世等，使得对于获得廉价氢气的研究越来越受到人们的重视。
诚然，制备氢的方法多种多样，但其中特别饶有兴趣的新途径是：

太阳光+水→氢气

1972年日本学者本多和藤发现， 当太阳光照射到二氧化钛半导体电极表面时，就会在白金极表面处产生氢气，而二氧化钛电极表面处产生氧气。这就是著名的本多—藤效应。 其原理是n型半导体二氧化钛吸收了光，使半导体低能带中原先低价带的电子被光能激发跃迁到导带。这些电子沿着外电路流向白金电极，与白金表面电极附近的氢离子结合生成氢气。同时半导体二氧化钛电极表面由于失掉电子而留下了带正电荷的空穴，空穴与水反应产生氧气。上述反应过程用化学反应方程式来表示即为：

重要的是，根本不需要外加电压，直接利用太阳光电解水便能获得氢气。太阳光是取之不尽，用之不竭的能源，水又是地球上最丰富的资源。“太阳光+水→氢气”，这引起了世界各国许多研究者的极大兴趣。但发现上述效应时光能转换效率太低，还不到1%，而且观察到被光照射的半导体电极在光电解水过程中有被腐蚀溶解的现象，这两点是实用化的最大障碍，也就成了研究的重点课题。十多年来为了提高光能转换效率和延长半导体电极的使用寿命，有卓见的研究者进行了坚持不懈地努力，取得了显著进展。开发光电解水制氢体系多种多样，例如，改用表面涂覆白金膜的带P-n结的Si电极，浸在碘化氢水溶液中作阳极接受光照，能制得氢气并得到碘 ，转换效率提高到8.2%，电极寿命达4000小时以上。还研究出用砷化铟作光阳极，表面涂覆保护层，使转换效率达到12%。
通常，使用电解水的方法制取氢气，制得1立方米的氢气大约要消耗4.5度电。值得注意的是，上述光电解水制氢不仅不消耗电能，还有电流在外电路中流过。这就是说，不仅直接把能转换成化学能，还可以把光能转换成电能。前者以制氢为主要目的，通常叫做光电解水制氢；后者以发电为主要目的，叫做 “湿式太阳能电池”。目前已研制成一种使用n—Si电极的湿式太阳能电池，光电转换效率可达14%。
那么，能不能同时做到即发电又制氢呢？ 湿式太阳电池表明一举两得是完全可能的。电解池中盛有溴化氢水溶液作为电解液，当中隔膜分成两半。电解池一边的底部设置着P-n型小球状太阳电池，另一边底部设置n-P型小球状太阳电池。当太阳光从上部照射到左边的P-n型太阳电池时，便放出电子与溶液中的氢结合成氢气； 而另一边接受光照后放出空穴与溶液中的溴离子结合。放出氢气用储氢材料吸藏，生成的溴以液体状态储存。同时，输出的电流通过底部的低电阻金属变换成热能贮存。这样便构成了一个综合利用型的太阳能转换装置。
随着光解水制氢新体系的特性的不断完善，“阳光+水→氢” 有可能成为提供廉价清洁能源的有效途径。如果有朝一日煤和石油枯竭了，仍能给人类带来无限生机。