光催化分解水

基本原理：

• 光吸收： 光催化剂（通常是半导体材料）吸收能量大于其带隙（Eg）的光子，使价带（VB）中的电子跃迁到导带（CB），在价带留下带正电的空穴（h⁺）。

• 电荷分离与迁移： 产生的光生电子（e⁻）和空穴（h⁺）需要有效分离并迁移到催化剂表面。这是提高效率的关键，也是主要挑战之一（易复合）。

• 表面氧化还原反应：

  • 还原反应 (产氢)： 导带上的电子（e⁻）将水（或水中的H⁺）还原成氢气（H₂）。

    2H⁺ + 2e⁻ → H₂ （酸性环境） 或 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ （中性/碱性环境）

  • 氧化反应 (产氧)： 价带上的空穴（h⁺）将水氧化成氧气（O₂）。

    2H₂O + 4h⁺ → O₂ + 4H⁺ 或 4OH⁻ + 4h⁺ → O₂ + 2H₂O

• 总反应：

  2H₂O + 光能 → 2H₂ + O₂

光催化剂的关键要求：

• 合适的带隙： 需要吸收可见光（太阳光谱的主要部分），通常要求带隙在 1.6 - 2.4 eV 之间，同时导带位置需负于 H⁺/H₂ 的还原电位（~0 V vs. NHE, pH=0），价带位置需正于 O₂/H₂O 的氧化电位（~1.23 V vs. NHE, pH=0）。

• 高效的电荷分离与迁移能力： 减少光生电子-空穴对的复合。

• 高催化活性位点： 表面具有促进水还原和氧化反应的有效活性位点。

• 良好的稳定性： 能在水溶液中长时间工作而不发生光腐蚀或化学降解。

• 低成本： 易于大规模制备