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太阳能制氢技术展望
氢能作为二次能源具有能量密度高、热转化效率高、输送成本低、对环境零
污染等诸多优点，是最具竞争力的未来能源。直接利用太阳能制氢，具有广阔的
发展前景。
4>50年，日本东京大学的(.?-;@A首次报导
了B:C0
单晶电极光催化降解水产生氢气的现象D4E，
之后，光解水制氢技术经历了光电化学池、光助
络合催化和半导体光催化等发展阶段，并在光催
化剂的制备、改性和光催化相关理论方面取得了
较多的成果。但是，由于下述原因，光解水制氢还
没有真正地为人类的生产和生活服务：!大多数
光催化剂仅能吸收占太阳光!F左右的紫外光，
转化效率很低；在高温下较难实现氢氧的分
离；#光催化剂的成本居高不下。寻找在可见光
作用下水完全分解的切实可行途径是能源科技
工作者的追求。
!光解水技术的原理
水是一种十分稳定的化合物，若在标准状态
下把4G-<的水分解为氢和氧需要0!5HI的能
量；水作为电解质却是不稳定的，其电解电压仅为
4.00>9J。因此，可以先把太阳能转化为电能，然
后通过电化学过程实现光解水制氢。
太阳能光解水制氢反应可由下式来描述：
其摩尔生成自由能和电解电压分别为：
式中K为法拉第常数。
太阳能光解水的效率主要与光电转换的效率
$L
和?0C分解为?0
和C0
过程中的电化学效率
$9
有关D0E。
在光电转换过程中，由于载流子的松弛和振动，导致一部分能量损失，其光能转
换的效率与
相当于半导体禁带宽度
的能带隙激发的焓变
!#$%
和水电解的自由能!&#’(
有关。
即

在电解水的过程中，由于存在过电势而产生
额外的能量损失!.
，故电解水的电化学效率
为：
’(（-!*+’(1!.
）
综合上面,个因素，太阳能光解水的总效率
为：
由上式可以看出：#当能量损失!.
小于水电
解的自由能!*+,(
时，可获得较高的转化效率；$
当水电解的焓变!++,(
与光生载流子生成的焓变
!+$%
相当时，光解水的总效率提高。
太阳能光解水的总效率不涉及能量贮存
和使用中的损失。
!光解水技术的现状
光解水技术的发展过程主要经历了2个阶
段：光电化学池（3!4）、光助络合催化和半导体光
催化。
（5）光电化学池（364）
光电化学池（364）是由光阳极和对极组成。
在电解质存在下，光阳极吸光产生电子，并通过
外电路流向对极，水中的质子从对极上接受电子
产生氢气，从而实现了光解水制氢的目的，光电
化学池结构比较复杂，难以放大，而且必须加偏
压，转化效率较低。
（,）光助络合催化
光助络合催化是以三双吡啶钌为光敏剂构
建的络合催化光解水体系，在7859:模拟日光照
射下，其光电转化效率可达;<左右=2>。该成果极
大地推进了光解水制氢的研究。该体系比较复
杂，还必须添加催化剂和电子给体等其它辅助物
质，而且络合物的制做成本较高、稳定性差，难以
推广应用。
（2）半导体光催化
半导体光解水制氢的研究比较成熟，主要经
历了以?@(,
、过渡金属氧化物、层状金属氧化物和
能利用可见光的复合层状物为光催化剂的光解
水制氢等阶段=A>。近年来，科研工作者为提高?@(,
光催化反应活性做了大量的工作，进行了对?@(,
进行晶格掺杂、表面贵金属（3B、3C、DE、7E）沉积、
光敏化等研究=:>。由于催化剂的制做工艺复杂、成
本高、光电转换效率低以及对可见光的利用率低
等缺点，以?@(,
为基质的光催化剂的活性有待于
进一步提高。
提高光解水效率的有效途径
（5）理想光催化剂的寻找
能用来光解水的催化剂其禁带宽度
必须
大于水的电解电压!+,(（59,2/F），而且价带和导
带的位置要分别同(,-+,(和+,-+,(的电极电
位相适宜。在满足上面,个条件的同时，如果能够
进一步降低半导体的禁带宽度或将多个符合条件
的半导体光催化剂叠加使用，则可以提高光解水
的效率。
继?@(,
之后，对其它半导体光催化剂也开展
了广泛的研究。G*EHEIJKB%KJ等用过渡金属离
子掺杂的%IL@,(2
作为制氢催化剂，其带隙宽度
为,9M/F，量子效率达到NO<=N>。(G%KP/./Q等提
出了将光伏打（3F）体系与电解体系结合在一起
的制氢系统，$I@IJKIR（@3B）-G(+光伏电解池体
系的太阳能制氢的效率为;9M<SJ-$SJ-$I*K
TJ3-&K7P（3B）-G(+光伏电解池体系的制氢效率
超过了5N<=;>。在水I甲醇体系中，结构杂
多酸盐作为光敏剂制氢，其半波电位介于IU95:V
IU92:F之间的杂多酸盐产氢效率较高=M>。W@X%B、
王宝辉等人采用7.&K7P-R@DE(,-3BY.KXZ为光催
化体系制氢，其转换效率达到了5O92<=,>。用掺杂
5<[/的DER,
修饰原有的光催化体系可以进一
步提高光解水的效率。