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太阳能制氢技术

一、前言

随着地球变暖以及能枯竭等问题的出现，我们必须利用可再生资源

进行制造二次能源，而太阳能是取之不尽用之不竭的环保能源，氢能源

被目前认为是二次能源中最为理想的没有污染的绿色能源。利用太阳能

制氢，在能源总量和利用的角度上，可以满足人们日益增长的能源需

求，解决目前的能源缺口，这一技术被越来越多的科学家所重视。

二、太阳能制氢的技术分类

1.太阳能电解水制氢电解水制氢是获得高纯度氢的传统方法。其

原理是：将酸性或碱性的电解质溶入水中，以增加水的导电性，然后

让电流通过水，在阴极和阳极上就分别得到氢和氧。目前，世界上已有

许多先进的大型电解装置在运行，一天制氢量在千吨以上，电―氢的

转化效率可达.+，以上。太阳能电解水制氢的方法与此类似。第一步

是通过太阳电池将太阳能转换成电能，第二步是将电能转化成氢，构

成所谓的太阳能光伏制氢系统。由于太阳能―氢的转换效率较低，在经

济上太阳能电解水制氢至今仍难以与传统电解水制氢竞争。

2.太阳能热化学制氢太阳能热化学制氢是率先实现工业化大生产的

比较成熟的太阳能制氢技术之一。它的优点是生产量大，成本较

低，许多副产品也是有用的工业原料。其缺点是生产过程需要复杂

的机电设备，并需强电辅助。

3.太阳能光化学制氢
目前光化学制氢的主要光解物是乙醇。乙醇是很多工业生产过程中

的副产物，也容易从农作物中得到。在适当条件下，阳光可使乙醇分解

成氢气和乙醛。这里关键是“适当条件”。虽然乙醇比水容易分解，

但反应不会自己发生，乙醇必须吸收大量的光能才会分解。乙醇是透明

的，对光能几乎不直接吸收，必须加入光敏剂。目前，科学家们选用的

光敏剂主要有：二苯（甲）酮等。二苯（甲）酮能很有效地吸收可见

光，并通过另一种催化物胶状铂使乙醇分解成为氢。然而，二苯（甲）

酮也是无色的，只能吸收可见光谱中有用能量的12左右，因此科学家

正在探寻能提高二苯（甲）酮吸光率的新催化物。

4.太阳能光解水制氢

20年以前，化学家们就提出了用太阳能光解水制氢的设想，但由于

诸多因素的困扰，使得这一设想一直局限于实验室中。太阳辐射的波

长范围是0.2-2.6um但在自然条件下并不能发生上述反应，因为水对

于可见光至紫外线是透明的，并不直接吸收光能。因此，科学家们正在

设想往水中加入一些物质，试图通过这些物质吸收光能并有效地传给水

分子，使水发生光解。

5.太阳能热解水制氢

热解水制氢，要求温度高于2000摄氏度，因此用常规能源是不经

济的。若采用高反射高聚焦的实验性太阳炉可以实现3000摄氏度左右的

高温，从而能使水产生分解，得到氧和氢。但这类装置的造价很高，效

率较低，因此不具备普遍的实用意义。如果将此方法与热化学循环结合

起来，形成“混合循环”，也许可以制造高效、实用的太阳能产氢装
置。

6.光合作用制氢

光合作用制氢目前尚处于探索阶段。其原理是利用某些微生物（光

合作用细菌）转换太阳能，产生特定物质氮化酶和氢化酶，然后再利

用这两种特定物质分解水产生氢气。该技术的主要障碍是：微生物产生

氮化酶和氢化酶的效率不高，氮化酶和氢化酶的热稳定性不好和寿命短

等，这些问题有待科学家们的进一步探索研究，寻找解决办法。

三、太阳能光解水的技术难点太阳能光电化学分解水制氢的技术难

点在于制备高效率、低成本的太阳电池（包括单结和多结）。光半导体

材料，不管是作成光阳极还是直接悬浮到水中，都存在可见光利用率低

的问题。若要使吸光材料对太阳光谱有较好的响应，也必须能够吸收可

见光。然而，大多数吸光波长在可见区的窄带半导体，如cds等都很

不稳定，在光解水体系中，特别是没有电子给体存在的条件下，极易发

生光腐蚀。而相对比较稳定的宽带半导体，如Ti02等吸光波长范围却

在紫外区。80年代中期，曾有人试图合成硫化钨

等新型光半导体材料，但是至今尚未见有关报道。对光半导体材料，另

一个要求是其平带电位必须和光解水反应所需要的能量相匹配。因此，

综合对吸光和电荷转移这两种功能的要求，新型光半导体材料的选择也

存在相当大的难度。在这方面我国的科研工作者取得了一定的成绩，南

京大学的邹志刚根据材料的结晶结构和电子结构，考虑到光吸收引起的

载流子激发跃迁、迁移与晶格

振动、自旋状态的关系，首次在世界上发现可见光活性的催化剂并应用
于光解水制氢。对于金属配合物体系，研究重点将放在高效的非贵金属

配合物光催化剂的合成上。

太阳能光解水的另一个技术难点是光解水反应体系的构建。最理想

的光解水反应体系，应该是由吸光材料和催化剂构成的简单体系，吸光

材料将光能转化为电能，催化剂用来加速电荷转移和氧化还原反应。

四、